DE60004354T2

DE60004354T2 - Aus superhartem material hergestellter gegenstand

Info

Publication number: DE60004354T2
Application number: DE60004354T
Authority: DE
Inventors: R. Ted MASSA; J. John PRIZZI; R. David SIDDLE
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2003500225A; EP1178873B1; KR100706868B1; EP1178873A1; US6425805B1; KR20010113974A; US7357697B2; ES2203479T3; US6924454B2; US20020142709A1; DE1178873T1; WO2000071298A1; US20020173250A1; US20030045217A1; US6790497B2; ATE246571T1; DE60004354D1; AU5016000A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft superharte Herstellungsgegenstände zum Einsatz in vielen Anwendungen, vorzugsweise jedoch zur Verwendung als Mischrohre zum Einsatz in Hochdrucksystemen mit abrasivem Wasserstrahl, und Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere Mischrohre, die ein superhartes Material, also PCD (polykristallinen Diamant) oder elektrisch leitendes PCBN (polykristallines kubisches Bornitrid) in Hochdrucksystemen mit abrasivem Wasserstrahl verwenden, und Verfahren zu deren Herstellung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Systeme mit abrasivem Wasserstrahl, die ein Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl umfassen, das eine mit einem superharten Material ausgekleidete Längsbohrung hat.
Hintergrund der Erfindung
Die Hochdruckbearbeitung mit einem abrasiven Wasserstrahl (AWJ) verwendet einen sehr feinen Strom aus unter hohem Druck stehendem Wasser, in das abrasive Partikel eingebracht sind, um über Materialabtragung ein Werkstück zu zerschneiden. Die AWJ-Bearbeitung wird in vielen Industrien eingesetzt, einschließlich der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Computer- und Glasindustrie, um aus einer breiten Palette von Materialien wie Kunststoffe, Metalle, Glas, Verbundstoffe und Keramik Präzisionsteile zu fertigen, einschließlich derjenigen Materialien, die sonst schwierig zu bearbeiten sind. Der AWJ-Prozeß arbeitet mit hoher Präzision, mit sehr kleiner Schneidkerbe, und erzeugt eine saubere, glatte Schnittkante, wodurch die Notwendigkeit von teueren, nach der Bearbeitung erfolgenden Kantenbearbeitungsvorgängen reduziert oder aus der Welt geschafft ist. Weil die AWJ-Bearbeitung ein Vorgang ist, der bei niedriger Temperatur abläuft, wird durch sie keine Wärmeeinflußzone im bearbeiteten Teil erzeugt, und sie kann zur Bearbeitung von wärmebehandelten Teilen eingesetzt werden, ohne deren durch Wärmebehandlung eingebrachten Materialeigenschaften zu beein trächtigen. AWJ-Bearbeitungsköpfe können von Hand, maschinell oder über einen Computer geführt werden, wobei die genaueste Bearbeitung über eine Computersteuerung der Bewegung des AWJ-Bearbeitungskopfes erzielt wird.
In einem typischen AWJ-System wird eine Verstärkungspumpe verwendet, um gefiltertes Wasser auf einen Druck bis in den Bereich von etwa 2.000 bis 100.000 psi (14 bis 690 MPa) zu bringen. Das unter hohem Druck stehende Wasser wird einem AWJ-Bearbeitungskopf zugeführt, wo es zwangsweise durch eine Düsenöffnung mit einem Durchmesser von nur wenigen tausendstel Zoll(ein paar hundertstel Millimeter) geführt wird, um einen Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl zu erzeugen. In handelsüblichen Anwendungen werden abrasive Partikel wie Granat oder Olivin in den Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl eingebracht, wenn er eine Mischkammer im AWJ-Bearbeitungskopf durchläuft. Die abrasiven Partikel und der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl vermischen sich, wenn sie gemeinsam durch die Längsbohrung mit kleinem Durchmesser eines Mischrohrs im AWJ-Bearbeitungskopf wandern, um beim Austritt aus dem Mischrohr einen feinen, abrasiven Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl zu bilden, der in der Lage ist, an nahezu jeder Materialart Präzisionsschnitte auszuführen.
Eine Längsbohrung eines AWJ-Mischrohrs unterliegt starker Strahlabrasion durch den Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und die abrasiven Partikel, die er mit sich führt. Die Präzision und der Wirkungsgrad der AWJ-Bearbeitung werden jedoch durch Verschleiß der Längsbohrung des Mischrohrs stark beeinträchtigt. Obwohl die Durchmesser der Längsbohrung im allgemeinen in der Größenordnung von 0,010 bis 0,060 Zoll (0,25 bis 1,5 mm) liegen und die Gesamtlängen von AWJ-Mischrohren üblicherweise im Bereich von 2 bis 4 Zoll (5 bis 10 cm) liegen, kann die Erosion des Durchmessers der Längsbohrung von gerade ein paar tausendstel eines Zolls (ein paar hundertstel Millimeter) den Wirkungsgrad der Bearbeitung stark herabsetzen und die Genauigkeit der Bearbeitung verschlechtern, insbesondere wenn die Erosion der Längsbohrung in der Nähe des Austrittsendes des Mischrohrs stattfindet. Ein Verschleiß der Längsbohrung eines AWJ-Mischrohrs führt zu längeren Bearbeitungszeiten, zu einer weniger genauen Bear beitung, zu einer Ausfallzeit zum Ersetzen des verschlissenen Mischrohrs und zu Kosten der Ersatzmischrohre. Um dieses Problem zu minimieren, werden AWJ-Mischrohre für gewöhnlich aus sehr harten Materialien gefertigt, wie z.B. Wolframkarbid.
In der Vergangenheit hat man Anstrengungen unternommen, die Verschleißfestigkeit von AWJ-Mischrohren zu verbessern, indem man über chemische Dampfabscheidung (CVD) abgeschiedenen Diamant als Auskleidungsmaterial für die Längsbohrung verwendete. Diamant ist ein Allotrop von Kohlenstoff; der einen Kristallaufbau mit kovalent gebundenen, aliphatischen sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen aufweist, die tetraedrisch mit einem gleichförmigen Abstand von 1,545 Δ (0,1545 nm) zwischen Atomen angeordnet sind, und der mit einer Mohshärte von 10 extrem hart ist. Beispielsweise wird in dem US-Patent: mit der Nummer 5 363 556 von Banholzer et al. davon ausgegangen, daß durch den Einsatz von Diamant die Lebensdauer von AWJ-Mischrohren von ca. 2 bis 4 Stunden, die man für herkömmliche Wolframcarbid-Mischrohre erzielt, auf ca. 20 bis 100 Stunden ausgedehnt werden kann.
Banholzer et al., supra, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs durch Abscheiden einer Diamantschicht mittels CVD auf einem trichterförmigen Trägerteil, um ein Innenteil aus Diamant zu bilden, Trennen des Innenteils vom Trägerteil, Abscheiden eines Außenteilmaterials mit einem. höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Diamant auf einer Außenseite des Innenteils, um ein Außenteil des Mischrohrs zu bilden, und Abkühlen des Mischrohrs zur Kontraktion des Außenteils, um das Innenteil mit Druckbelastungen ausreichender Höhe zu beaufschlagen, so daß die Bildung von Rissen im Innenteil im wesentlichen verhindert ist. Anthony et al., US-Patent Nr. 5 439 492, beschreibt; die Herstellung eines AWJ-Mischrohrs durch Abscheiden einer Schicht aus Diamant mittels CVD auf einem Dorn, gefolgt vom Entfernen des Dorns auf mechanischem Wege oder durch chemisches Ätzen, um die Längsbohrung des Mischrohrs zu bilden, und danach gegebenenfalls Bereitstellen eines Stahlrohrs, um eine Unterlage für die Diamantschicht zu bilden. Stefanick et al., US-Patent Nr. 5 785 582, beschreibt das Abscheiden einer Diamantschicht durch CVD auf gegenüberliegenden Seiten der Längsbohrung eines AWJ-Mischrohrs, das aus einem harten Keramikmaterial besteht und in Längsrichtung geteilt wurde, und dann Verbinden der beiden Hälften des Mischrohres durch Aufschrumpfen einer Metallhülle um diese.
Es sind auch Anstrengungen dahingehend unternommen worden, andere Formen von Diamant und Materialien zu verwenden, die Härtewerte aufweisen, die denen von Diamant nahekommen. Die japanische Gebrauchsmusteranmeldung Offenlegungs-Nr. 63-50700 beschreibt ein AWJ-Mischrohr, das aus mehreren Düsen besteht, die in einen Hülsenhauptkörper eingesetzt sind. Jede Düse besteht aus einem Grundkörper eines polykristallinen Sinterkörpers aus Diamant oder kubisch kristallinem Bornitrid oder dergleichen, der am Innenumfang eines ringförmigen Metallstützgerüsts aus einem festen Material wie einer superharten Legierung, Hochgeschwindigkeitsstahl oder dergleichen befestigt ist. Jeder Grundkörper hat eine Durchgangsöffnung. Das oben beschriebene AWJ-Mischrohr hat jedoch den Nachteil, daß Verschleiß vorzugsweise an den Übergangsflächen zwischen den Düsen auftritt (siehe geprüftes japanisches Gebrauchsmuster HEI-6-34936).
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl, wie in Anspruch 1 definiert, und ein Verfahren zur Herstellung eines Mischrohrs für einen abrasiven Wasserstrahl, wie in Anspruch 12 definiert.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Verfahren zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs mit einer Längsbohrung entwickelt, die mit einem superharten Material ausgekleidet ist, und das keinen Einsatz von durch CVD abgeschiedenen Diamant erforderlich macht. Die vorliegende Erfindung umfaßt Verfahren zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs unter Verwendung von einem oder mehreren Teilen aus superhartem Material. Der Begriff „superhartes Material", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf polykristallinen Diamant (PCD) oder polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN), die durch Funkenerosion (EDM) bearbeitet werden können. PCD ist eine bestimmte Art von synthetischem Diamant. PCD wird hergestellt, indem man viele einzelne Diamantkristalle im Beisein eines Katalysators bei hohen Temperaturen und Drücken zu einer zusammenhängenden Masse von miteinander verbundenen Diamantkristallen zusammensintert. Der Katalysator kann in Form eines Pulvers vorliegen, das mit den Diamantkristallen vermischt ist, oder er kann in einem angrenzenden Element eingeschlossen sein, von wo aus er die Zwischenräume zwischen den Diamantkristallen während des Sintervorgangs durchdringt. Eine Art, den Katalysator bereitzustellen, besteht beispielsweise darin, Diamantschleifmittel auf einem Substrat anzuordnen, das gesintertes Wolframkarbid mit 5 bis 20 Gew.-% Bindemittel aus Kobalt oder Kobalt-Nickel aufweist, und dann diese Bestandteile hohen Temperaturen und Drücken auszusetzen, so daß ein Teil des Bindemittels des gesinterten Wolframkarbids in das Diamantschleifinittel eindringt und die Verbindung Diamant zu Diamant katalysiert. Ein Teil des Bindemittels (z.B. Kobalt oder Kobalt-Nickel) verbleibt im PCD.
PCBN, welches eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit hat, um durch Funkenerosion bearbeitet zu werden, kann in der vorliegenden Erfindung als superhartes Material zur Auskleidung der Längsbohrung in dem AWJ-Mischrohr verwendet werden. PCBN kann auf eine ähnliche Weise produziert werden wie die, die zur Herstellung von PCD verwendet wird.
Ein besonderer Vorteil von PCD gegenüber anderen Arten von Diamant ist seine Fähigkeit, aufgrund seines elektrisch leitfähigen Metallanteils durch Funkenerosion bearbeitet werden zu können. Die vorliegende Erfindung zieht einen Vorteil aus dieser Eigenschaft und umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs mit einer Längsbohrung, die mit einem superharten Material ausgekleidet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, wenigstens einen Körper aus superhartem Material bereitzustellen und dann diesen wenigstens einen Körper aus superhartem Material durch Funkenerosion zu bearbeiten, um die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs zu bilden. Vorzugsweise umfaßt die vorlie gende Erfindung die Bereitstellung der Längsbohrung mit einem sich verjüngenden Einlaß durch Funkenerosion, um das Eintreten des Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahls und des Abrasivschleifinittels in die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs zu erleichtern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch jede notwendige Bearbeitung der Außenabmessungen des mit einem Kern aus superhartem Material versehenen AWJ-Mischrohrs, damit beispielsweise das Mischrohr in einen AWJ-Bearbeitungskopf eingepaßt werden kann oder um es mit erwünschten äußeren Merkmalen wie einer Verjüngung am Austrittsende zu versehen, vor, gleichzeitig mit oder nach der Bearbeitung der Längsbohrung des Mischrohrs durchgeführt.
So wie hier verwendet, ist der „Strömungsdurchgang" eines AWJ-Mischrohrs der Kanal, der sich von einem Ende des Mischrohrs zum anderen Ende erstreckt und durch den der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und das Abrasivschleifmittel in das Mischrohr eintreten, durch es hindurchwandern und aus dem Mischrohr austreten. Der Strömungsdurchgang umfaßt eine Längsbohrung und kann auch einen sich verjüngenden Einlaß umfassen. Wird jedoch die Bezeichnung „Strömungsdurchgang" bei der Beschreibung eines einzelnen Bestandteils eines AWJ-Mischrohrs verwendet, dann bezieht sich der Begriff auf den Kanal, der sich von einem Ende des Bestandteils zum anderen Ende erstreckt und durch den der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und das Abrasivschleifmittel in das Bestandteil eintreten, durch es hindurchwandern und aus dem Bestandteil austreten. So wie er hier verwendet wird, bezieht sich die Bezeichnung „Bestandteil" auf ein einzelnes, hohles Teilstück, das einen Teil der Länge eines AWJ-Mischrohrs umfaßt; die Einzelteile werden miteinander verbunden, um ein aus vielen Einzelteilen bestehendes AWJ-Mischrohr zu bilden.
So wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „Durchflußrichtung" die Richtung, in der der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und das abrasive Schleifmittel durch das AWJ-Mischrohr hindurchwandern.
Die vorliegende Erfindung umfaßt AWJ-Mischrohre mit einer Auskleidung aus superhartem Material wenigstens an einem Teil des Strömungsdurchgangs des AWJ-Mischrohrs. Derartige AWJ-Mischrohre umfassen eine Auskleidung aus superhartem Material an wenigstens einem Teil des sich verjüngenden Einlasses und/oder der Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs. In einigen Ausführungsformen kleidet das superharte Material die gesamte Länge der Längsbohrung und/oder des sich verjüngenden Einlasses aus. In anderen Ausführungsformen ist durch das superharte Material nur ein Teil der Länge der Längsbohrung und/oder des sich verjüngenden Einlasses ausgekleidet, während der verbleibende Teil der Länge der Längsbohrung und/oder des sich verjüngenden Einlasses mit einer anderen Art verschleißfesten Materials ausgekleidet ist. Der Teil oder die Teile des Strömungsdurchgangs des AWJ-Mischrohrs, der/die mit superhartem Material auszukleiden ist/sind und nicht mit irgendeiner anderen Art verschleißfesten Materials, ist derjenige Teil bzw. sind diejenigen Teile, die der Benutzer des AWJ-Mischrohrs am meisten vor Erosion während des Gebrauchs zu schützen wünscht.
Obwohl die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung von AWJ-Mischrohren umfaßt, die nur aus einem superharten Material bestehen, umfaßt sie auch Verfahren zur Herstellung von AWJ-Mischrohren, in denen das superharte Material im wesentlichen über die Länge des Mischrohrs mit einem widerstandsfähigen Material umgeben ist, das dahingehend wirken kann, die Empfindlichkeit des Mischrohrs gegenüber Beschädigung durch von außen kommende Kräfte zu reduzieren, oder die Einpassung des superharten Materials in den AWJ-Bearbeitungskopf zu erleichtern. Das widerstandsfähige Material kann auch die Funktion haben, das superharte Material zu verstärken, um zu verhindern, daß das AWJ-Mischrohr durch den Gegendruck des Wasserstrahls beschädigt wird, falls das Mischrohr während des Betriebs verstopft werden sollte. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Verfahren zur Herstellung von AWJ-Mischrohren, die wenigstens einen Mantel umfassen, der dahingehend wirkt, die Empfindlichkeit des AWJ-Mischrohrs gegenüber einer Beschädigung durch Stoß zu vermindern, oder die Einpassung des AWJ-Mischrohrs in den AWJ-Bearbeitungskopf zu erleichtern.
Dementsprechend umfaßt die vorliegende Erfindung auch die Schritte, wenigstens einen Körper aus superhartem Material im wesentlichen entlang der Länge des AWJ-Mischrohrs mit einem widerstandsfähigen Material zu umgeben. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich im fertiggestellten AWJ-Mischrohr das widerstandsfähige Material über das superharte Material am Eingangsende des Mischrohrs hinaus, wobei ein sich verjüngender Einlaßabschnitt des Mischrohrs wenigstens zum Teil im widerstandsfähigen Material ausgebildet ist, und das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die Bildung des Mischrohrs in dieser Weise. Das widerstandsfähige Material ist vorzugsweise Stahl oder bevorzugter gesintertes Wolframkarbid. Wenn der sich verjüngende Einlaß wenigstens zum Teil im widerstandsfähigen Material gebildet ist und das widerstandsfähige Material Stahl ist, sollte der Stahl ein erosionsbeständiger Legierungsstahl oder Werkzeugstahl sein.
Wenn gesintertes Wolframkarbid als widerstandsfähiges Material verwendet wird, sind in der obengenannten einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte eingeschlossen: (1) Bereitstellung wenigstens eines Verbundkörpers, der eine Schicht aus superhartem Material umfaßt, die mit einem gesintertem Wolframkarbidsubstrat verbunden ist; (2) Bereitstellung wenigstens eines Körpers aus widerstandsfähigem Material; (3) Verbinden des wenigstens einen Verbundkörpers mit dem wenigstens einen Körper aus widerstandsfähigem Material, um einen Rohling für ein AWJ-Mischrohr zu bilden, der einen Kern aus superhartem Material hat; (4) Bilden eines sich verjüngenden Einlasses in einem Ende des Rohlings für das AWJ-Mischrohr durch Funkenerosion; und (5) Einarbeiten einer Längsbohrung durch den Kern aus superhartem Material des Rohlings für das AWJ-Mischrohr durch Funkenerosion. Das Verfahren kann darüber hinaus den Schritt umfassen, die Außenform des Rohlings für das AWJ-Mischrohr in einem oder mehreren Arbeitsgängen zu bearbeiten, um den Rohling für das AWJ-Mischrohr so anzupassen, daß er in einen AWJ-Wasserstrahlbearbeitungskopf eingepaßt werden kann, und um im übrigen die Endabmessungen des AWJ-Mischrohrs zu erhalten. Es ist festzuhalten, daß sich die hier verwendete Bezeichnung „Rohling für ein AWJ-Mischrohr" auf einen einzigen Körper bezieht, sei er nun einstöckig oder eine zusammengesetzte Konstruktion, aus dem sich in einem oder in mehreren Arbeitsgängen ein AWJ-Mischrohr bilden läßt, und der teilweise gebildete AWJ-Mischrohre umfaßt, bis der letzte Formgebungsschritt vonstatten gegangen ist.
In dieser Ausführungsform wird der Körper aus widerstandsfähigem Material als einzelner Rundstab mit einem U-förmigen Kanal bereitgestellt, der dazu ausgelegt ist, den wenigstens einen Streifen aus Verbundmaterial aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung umfaßt jedoch auch die Bereitstellung des widerstandsfähigen Materials in anderen Formen. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch das Bereitstellen von mehreren Körpern aus widerstandsfähigem Material, die den einen oder die mehreren Körper aus superhartem Material umgeben können und damit verbunden sein können. Ein wichtiger Punkt ist, daß die sich ergebenden Rohlinge für ein AWJ-Mischrohr einen Kern aus superhartem Material haben, in den eine Längsbohrung so eingebracht sein kann, daß die Längsbohrung entlang der ganzen Länge des Mischrohrs mit superhartem Material ausgekleidet ist, mit der möglichen Ausnahme, daß im fertiggestellten AWJ-Mischrohr der am äußersten Ende liegende Teil der Einlaßlänge in einigen Ausführungsformen nicht mit einem superharten Material ausgekleidet sein kann. In einigen dieser Ausführungsformen, in denen der am äußersten Ende liegende Teil der Einlaßlänge nicht mit einem superharten Material ausgekleidet ist, umfaßt die vorliegende Erfindung auch das Beschichten des freiliegenden, widerstandsfähigen Materials im am äußersten Ende liegenden Teil des Einlasses mit einer Hartstoffbeschichtung, die durch Dampfabscheidung abgeschieden ist, z.B. durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) und/oder chemische Dampfabscheidung (CVD). Beispiele für solche Hartstoffbeschichtungen umfassen, ohne als Einschränkung zu gelten, Diamant, Titannitrid, Titankarbid, Titankarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Aluminiumoxid und ihre Kombinationen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch AWJ-Mischrohre, die ein superhartes Material umfassen, einschließlich derjenigen AWJ-Mischrohre, in denen das superharte Material im wesentlichen über die Länge des Mischrohrs mit einem wi derstandsfähigen Material umgeben ist, das dahingehend wirken kann, die Empfindlichkeit des Mischrohrs gegenüber Beschädigung durch von außen wirkende Kräfte zu reduzieren, die Einpassung des superharten Materials in den AWJ-Bearbeitungskopf zu erleichtern, oder das superharte Material zu verstärken, um zu verhindern, daß das AWJ-Mischrohr durch den Gegendruck des Wasserstrahls beschädigt wird, falls das Mischrohr während des Betriebs verstopfen sollte. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch AWJ-Mischrohre, die ein Einlaßteil mit einem superharten Material umfassen, das an einem sich verjüngenden Einlaß gebildet ist, der mit einem Rumpfteil für ein AWJ-Mischrohr verbunden ist, das eine mit einem superharten Material ausgekleidete Längsbohrung hat, sowie auch Verfahren zur Herstellung solcher AWJ-Mischrohre.
Die vorliegende Erfindung umfaßt AWJ-Mischrohre sowie Verfahren zu deren Herstellung, die einen Strömungsdurchgang umfassen, der durch Funkenerosion in wenigstens einem verschleißfesten Materialteil gebildet ist, wobei wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. In diesen AWJ-Mischrohren eingeschlossen sind aus einzelnen Bestandteilen bestehende AWJ-Mischrohre sowie aus vielen Bestandteilen bestehende AWJ-Mischrohre, die mehrere Bestandteile umfassen und wenigstens einen Anschluß, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann und ein Bestandteil mit einem anderen so verbindet, daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander in Verbindung stehen, um den Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs zu bilden, und bei denen der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Wie bereits erwähnt, bezieht sich der Begriff „Bestandteil", so wie er hier verwendet wird, auf ein einzelnes, hohles Teilstück, das einen Teil der Länge eines AWJ-Mischrohrs umfaßt. Jedes Bestandteil hat einen Strömungsdurchgang, welcher Teil des Strömungsdurchgangs des AWJ-Mischrohrs ist. Die Bestandteile werden stirnseitig miteinander verbunden, um das AWJ-Mischrohr zu bilden. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes AWJ-Mischrohr aus zwei Bestandteilen ein Einlaßteil umfassen, das mit einem Rumpfteil für ein AWJ-Mischrohr verbunden ist, wobei das Einlaßteil und das Rumpfteil für das AWJ- Mischrohr jeweils einen Strömungsdurchgang haben, der in einem oder mehreren verschleißfesten Teilen ausgebildet ist, und wobei das Einlaßteil und/oder das Rumpfteil für das AWJ-Mischrohr an einem Teil seines Strömungsdurchgangs ein superhartes Material aufweist. Es sollte klar sein, daß, so wie hier verwendet, ein AWJ-Mischrohr als ein aus mehreren verbundenen Bestandteilen bestehendes Mischrohr mit wenigstens einem Anschluß betrachtet wird, wenn, und nur wenn das AWJ-Mischrohr, das diese Bestandteile und den Anschluß bzw. die Anschlüsse umfaßt, eine einteilige Einheit ist, die als Einzelteil gehandhabt und als solches in einen AWJ-Schneidkopf eingebracht werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch AWJ-Systeme mit einem Mischrohr, das ein superhartes Material umfaßt. Solche AWJ-Systeme beinhalten AWJ-Systeme mit einem AWJ-Mischrohr, das einen Strömungsdurchgang umfaßt, der durch Funkenerosion in wenigstens einem verschleißfesten Material gebildet ist, wobei wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Diese AWJ-Systeme umfassen diejenigen AWJ-Systeme mit AWJ-Mischrohren, die mehrere Bestandteile und wenigstens einen Anschluß umfassen, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann und ein Bestandteil mit einem anderen verbindet, so daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander in Verbindung stehen, um den Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs zu bilden, und bei denen der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Solche AWJ-Systeme verwenden eine beliebige Art von abrasiven Partikeln einschließlich, und ohne einschränkend zu sein, Granat, Olivin, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Diamant, andere Mineralien und Keramiken, sowie ihre Mischungen und Kombinationen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Verfahren zum Einsatz eines AWJ-Systems, welche die Schritte umfassen, ein AWJ-Mischrohr mit einem Strömungsdurchgang bereitzustellen, der durch Funkenerosion in wenigstens einem verschleißfesten Material gebildet ist, bei dem wenigstens ein Teil des Strö mungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt, abrasive Partikel bereitzustellen, die abrasiven Partikel aus dem AWJ-Mischrohr auszustoßen, und ein Werkstück mit den ausgestoßenen abrasiven Partikeln zu bearbeiten. Ein solches bereitgestelltes AWJ-Mischrohr kann eines sein, welches mehrere Bestandteile und wenigstens einen Anschluß aufweist, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann und ein Bestandteil mit einem anderen so verbindet, daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander in Verbindung stehen, um den Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs zu bilden, und bei dem der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Beispielsweise und ohne einschränkend zu sein umfaßt die vorliegende Erfindung auch Verfahren zum Einsatz eines AWJ-Systems, mit den Schritten, ein Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl mit einer Längsbohrung bereitzustellen, die mit einem superharten Material ausgekleidet ist, abrasive Partikel bereitzustellen, die abrasiven Partikel aus dem Mischrohr für den abrasiven Wasserstrahl auszustoßen, und ein Werkstück mit den ausgestoßenen abrasiven Partikeln zu bearbeiten.
Obwohl AWJ-Systeme typischerweise Wasser als Trägerfluid verwenden, ist in der vorliegenden Erfindung auch an die Anwendung ihrer Verfahren, AWJ-Mischrohre und AWJ-Systeme mit dem Einsatz eines beliebigen Fluids (gasförmig oder flüssig) gedacht, welches in der Lage ist, als Fluidträger in einem System zu wirken, welches über ein Fluid beförderte, abrasive Partikel zum Schneiden oder Bearbeiten eines Werkstücks verwendet. Solche Fluide umfassen diejenigen, die in der Lage sind, Wasser als Trägerfluid in einem AWJ-System zur Gänze oder zum Teil zu ersetzen. Dementsprechend ist der Begriff „abrasiver Wasserstrahl", wie er hier verwendet wird, nicht auf abrasive Strahlen begrenzt, die Wasser als Trägerfluid verwenden, sondern bezieht sich vielmehr auf jeden abrasiven Strahl mit einem Fluidträger.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch einen rohrförmigen, länglichen Körper aus superhartem Material sowie Verfahren zu dessen Herstellung, wobei der rohrförmige, längliche Körper aus superhartem Material wenigstens eine durch Funkenerosion gebildete Bohrung hat, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des rohrförmigen, länglichen Körpers aus superhartem Material ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Zylinder aus superhartem Material mit Längen von etwa 0,2 Zoll (5 mm) und Durchmessern von etwa 0,2 Zoll (5 mm) und entweder einem geraden oder konischen Durchgang oder einer Kombination aus einem geraden und konischen Durchgang, entlang ihrer Längsmittellinien und durch Funkenerosionsbearbeitung gebildet. Derartige Zylinder aus superhartem Material umfassen ein superharte Material oder einen Verbundkörper aus einem superharten Material, das mit einem anderen verschleißfesten Material verbunden ist. In dem Fall, in dem ein Zylinder aus superhartem Material einen geraden Durchgang aufweist, entweder alleine oder in Verbindung mit einem konischen Durchgang, beträgt das Aspektverhältnis von Zylinderlänge zu Durchmesser des Durchganges wenigstens 4 zu 1, bevorzugter wenigstens 6 zu 1, und am meisten bevorzugt wenigstens 10 zu 1.
Diese und weitere offenbarte Merkmale und Vorteile, die dem beanspruchten Gegenstand zu eigen sind, ergeben sich dem Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen davon und den beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen werden nur als Hilfe zum Verstehen der Funktion der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Von daher sollte klar sein, daß die Zeichnungen lediglich zum Zwecke der Darstellung gegeben werden und nicht als Festlegung für die Grenzen der vorliegenden Erfindung.
1 ist eine schematische Zeichnung eines computergesteuerten AWJ-Systems nach dem Stand der Technik.
2 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Bearbeitungskopfes aus dem Stand der Technik.
3 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Mischrohrs, das zur Gänze aus superhartem Material besteht, welches gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
4 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Mischrohrs, das aus einem widerstandsfähigen Material besteht und einen Kern aus superhartem Material aufweist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet.
5 ist eine isometrische, teilweise in Strichlinie gezeigte Ansicht eines einstöckigen Körpers aus superhartem Material.
6 ist eine schematische Zeichnung, in der einige der Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.
7 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
8 ist eine schematische Zeichnung, in der einige der Verfahrensschritte einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.
9A ist eine isometrische Ansicht einer Verbundkörperscheibe, die ein superhartes Material umfaßt, das in Nuten eines gesinterten Wolframkarbidsubstrats gebildet und dort eingebunden ist.
9B ist eine schematische Zeichnung, in der einige der Verfahrenschritte einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.
10 ist eine schematische Zeichnung, in der einige der Verfahrensschritte einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.
11A ist eine Längsschnittansicht eines Teils eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist, vor dem Schritt des Abscheidens einer CVD-Diamantbeschichtung.
11B ist eine Längsschnittansicht eines Teils eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist, nach dem Schritt des Abscheidens einer CVD-Diamantbeschichtung.
12 ist eine Längsschnittansicht des Abschnitts des Einlaßendes eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist, mit einem Rumpfabschnitt des AWJ-Mischrohrs, der mit einem Einlaßteil verbunden ist.
13 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
14 ist eine Längsschnittansicht eines AWJ-Mischrohrs, das gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
15 ist eine isometrische Ansicht eines rohrförmigen, länglichen Körpers aus superhartem Material entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16A ist eine isometrische Längsschnittansicht durch den Mittelschnitt einer ersten Ausführungsform eines Zylinders aus superhartem Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
16B ist eine isometrische Längsschnittansicht durch den Mittelschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Zylinders aus superhartem Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
16C ist eine isometrische Längsschnittansicht durch den Mittelschnitt einer dritten Ausführungsform eines Zylinders aus superhartem Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
16D ist eine isometrische Längsschnittansicht durch den Mittelschnitt einer vierten Ausführungsform eines Zylinders aus superhartem Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, erfolgt zuerst eine Beschreibung eines typischen AWJ-Systems und eines typischen AWJ-Bearbeitungskopfes, bei denen Wasser das Trägerfluid ist, bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines typischen computergeführten AWJ-Systems bzw. einen Querschnitt eines typischen AWJ-Bearbeitungskopfs. Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird in einem computergeführten AWJ-System 1 Wasser 2 durch eine Zwischenpumpe 4 bei ungefähr 65 bis 85 psi (450 bis 590 kPa) durch einen Filter 6 gedrückt und dann in eine Verstärkungspumpe 8, wo es auf einen Druck bis in den Bereich von 2.000 bis 100.000 psi (14 bis 690 MPa) gebracht wird. Das unter hohem Druck stehende Wasser 2 wird durch eine gelenkige Hochdruckverrohrung 10 einem AWJ-Bearbeitungskopf 12 zugeführt, der von einem Computer 13 und einem Bewegungsmechanismus 17 für den AWJ-Kopf gesteuert wird, um entlang der drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen X, Y und Z punktgenau geführt zu werden. Das unter hohem Druck stehende Wasser 2 tritt in den Vorratsraum 11 für unter hohem Druck stehendes Wasser des AWJ-Bearbeitungskopfes 12 ein und wird durch eine Düse 16 herausgedrängt, um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl 24 zu bilden. Der Hochgeschwindigkeitsstrahl 24 durchläuft einen Bereich 18 der Mischkammer, in den abrasive Partikel 15 von einer äußeren Quelle 14 eingeführt werden. Der Hochgeschwindigkeitsstrahl 24 und die abrasiven Partikel 15 fließen zusammen durch die Längsbohrung 20 des AWJ-Mischrohrs 22 und treten als abrasiver Wasserstrahl 25 aus. Der abrasive Wasserstrahl 25 wird auf ein Werkstück 26 gerichtet und bearbeitet das Werkstück 26, bevor er zerstreut und in einem Sammeltank 27 gesammelt wird. Das AWJ-Mischrohr 22 hat eine Gesamtlänge 28.
Nun erfolgt die Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsformen werden in einigen Fällen mit Bezug auf AWJ-Systeme erläutert, die Wasser als Trägerfluid einsetzen. Es sollte jedoch klar sein, daß die Bezugnahme auf Wasser der Zweckmäßigkeit halber erfolgt und in keinster Weise den Einsatz der vorliegenden Erfindung auf AWJ-Systeme einschränken soll, die Wasser als Trägerfluid einsetzen. 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines ersten AWJ-Mischrohrs, das gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist und in dem das Mischrohr nur aus superhartem Material besteht. Unter Bezug auf 3 hat das erste AWJ-Mischrohr 30 ein Einlaßende 31, eine Einlaßstirnfläche 32, einen sich verjüngenden Einlaß 34, eine Längsbohrung 36, ein Austrittsende 38 und eine Austrittsstirnfläche 39. Im Betrieb treten der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und der Strom aus abrasiven Partikeln in das AWJ-Mischrohr 30 durch den Einlaß 34 ein und laufen durch die Längsbohrung 36 hindurch, bevor sie das AWJ-Mischrohr 30 am Austrittsende 38 als abrasiven Wasserstrahl verlassen. Das AWJ-Mischrohr 30 hat auch eine außenliegende Verjüngung 40, die an die Austrittsstirnfläche 38 anstößt. Die außenliegende Verjüngung 40 macht es leichter, das AWJ-Mischrohr 30 in unmittelbare Nähe zu einigen Werkstücken zu bringen.
4 zeigt eine Längsschnittansicht eines zweiten AWJ-Mischrohrs, das gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist und bei der das zweite AWJ-Mischrohr 42 einen Kern 44 aus superhartem Material hat, der die Längsbohrung 36 des AWJ-Mischrohrs auskleidet, und ein widerstandsfähiges Material 45, das den Kern 44 aus superhartem Material im wesentlichen über die Länge 46 des AWJ-Mischrohrs 42 umgibt. Ein Teil des Kerns 44 aus superhartem Material wurde während der Bildung des sich verjüngenden Einlasses 34 maschinell weggenommen, so daß sich das widerstandsfähige Material 45 am Eintrittsende 31 über den Kern 44 aus superhartem Material hinaus erstreckt.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können zur Herstellung aller Arten von AWJ-Mischrohren verwendet werden, zum Einsatz in bestehenden und zukünftigen Konstruktionen von AWJ-Bearbeitungsköpfen. Diese Konstruktionen sind daher für die Abmessungen der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten AWJ-Mischrohre bestimmend. Im allgemeinen sind in AWJ-Systemen, in denen Wasser das Trägerfluid ist, bestehende AWJ-Mischrohre zylindrisch mit Gesamtlängen in der Größenordnung von 2 bis 4 Zoll (5 bis 10 cm), Außendurchmessern in der Größenordnung von 0,2 bis 0,4 Zoll (5 bis 10 mm) und Durchmessern der Längsbohrung in der Größenordnung von 0,010 bis etwa 0,060 Zoll (0,25 bis 1,5 mm). Längsbohrungen von AWJ-Mischrohren haben üblicherweise kreisförmige Querschnitte, obwohl nicht kreisförmige Querschnitte und Längsbohrungen mit nicht gerader Wandung im Stand der Technik auch bekannt sind und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Beispiele für AWJ-Mischrohre mit Längsbohrungen, die keine kreisförmigen Querschnitte haben, sind z.B. durch Rankin et al., US-Patent Nr. 5 626 508, beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Der Einsatz von Funkenerosion zur Formgebung von PCD und Formgebung von durch Funkenerosion bearbeitbarem PCBN ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Daher können die Bedingungen, die für die jeweilige, in der Ausübung der vorliegenden Erfindung eingesetzte Funkenerosionsbearbeitung notwendig sind, von einem Fachmann leicht ermittelt werden, ohne auf übertriebenes Experimentieren zurückzugreifen. Ein Fachmann wird erkennen, daß die speziellen Funkenerosionsparameter gemäß dem bestimmten bearbeiteten Werkstück variieren und auch gemäß der bestimmten eingesetzten Funkenerosionsbearbeitung.
Ein AWJ-Mischrohr, das ausschließlich aus einem superharten Material besteht, kann gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch folgendes Verfahren hergestellt werden. Unter Bezug auf 5 wird zuerst ein einstöckiger Körper 50 aus superhartem Material mit einer Länge 52, einer Breite 54 und einer Dicke 56 bereitgestellt, die jeweils ausreichend sind, um die Endabmessungen des AWJ-Mischrohrs zu ergeben. Die Länge 52 beträgt wenigstens etwa 1 Zoll (2,5 cm), um ein 1 Zoll (2,5 cm) langes AWJ-Mischrohr zu ergeben. Die Länge 52 liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 4 Zoll (2,5 bis 10 cm) und bevorzugter im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 3 Zoll (3,8 bis 7,6 cm). Die Außenabmessungen des Körpers 50 aus superhartem Material werden nach Bedarf zu diesem Zeitpunkt oder später durch Funkenerosion oder ande re, dem Fachmann bekannte Verfahren verändert, z.B. durch Laserschneiden, Schneiden mittels einer Diamantsäge oder eines Diamantdrahts, Schleifen etc., um die Endabmessungen des AWJ-Mischrohrs zu erzeugen. Vorzugsweise sind die erste Stirnfläche 58 und die zweite Stirnfläche 59 zueinander parallel und liegen senkrecht zur Längsachse des Körpers 50 aus superhartem Material. Die erste und die zweite Stirnfläche 58, 59 entsprechen, wie in 5 gezeigt, der Eintrittsstirnfläche 31 des AWJ-Mischrohrs bzw. der Austrittsstirnfläche 39 des AWJ-Mischrohrs von 3. Dann wird zur Bildung eines sich verjüngenden Einlasses, wie des in 3 gezeigten, sich verjüngenden Einlasses 34, an der ersten Stirnfläche 58 eine Funkenerosions-Eintauchbearbeitung verwendet. Dann wird zur Bildung einer Längsbohrung, wie der in 3 gezeigten Längsbohrung 36, ein Funkenerosionsbohrvorgang entlang der Längsachse des Körpers 50 aus superhartem Material verwendet, von der Spitze des sich verjüngenden Einlasses durch die zweite Stirnfläche 59 hindurch.
Es erfolgt nun die Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs mit einer Längsbohrung, die mit einem superharten Material ausgekleidet ist, das von einem widerstandsfähigen Material umgeben ist. Unter Bezugnahme auf 6 wird ein einstöckiger Körper 60 aus superhartem Material bereitgestellt. Der Körper 60 aus superhartem Material hat eine Breite 62 und eine Dicke 64, die ausreichend sind, um wenigstens 0,005 Zoll (0,13 mm), und bevorzugter wenigstens 0,010 Zoll (0,25 mm), an Dicke des superharten Materials bereitzustellen, das die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs in dem sich ergebenden AWJ-Mischrohr umgibt. Der Körper 60 aus superhartem Material hat auch eine Länge 66, die ausreicht, die Endlänge des AWJ-Mischrohrs zu ergeben. Es werden auch ein erster und ein zweiter Körper 68, 70 aus widerstandsfähigem Material bereitgestellt, jeweils mit Längen 72, 74, die ausreichend sind, um die Endlänge des AWJ-Mischrohrs zu ergeben. Der erste Körper 68 aus widerstandsfähigem Material hat einen Durchmesser 76, der ausreichend ist, um die Außenabmessungen des sich ergebenden AWJ-Mischrohrs zu ergeben. Der erste Körper 68 aus widerstandsfähigem Material hat eine Ausnehmung 78, die sowohl den Körper 60 als auch den zweiten, widerstandsfähigen Körper 70 in gemeinsamer Erstreckung zusammen mit einem Verbindungsmaterial 80 aufnehmen kann. Der erste Körper 68 aus widerstandsfähigem Material, der Körper 60 aus superhartem Material, und das Verbindungsmaterial 80 werden so zu einer Baugruppe 82 zusammengesetzt, daß der Körper 60 aus superhartem Material einen Kernabschnitt entlang der Längsmittellinie der Baugruppe 82 bildet, wobei der zweite Körper 70 aus widerstandsfähigem Material und das Verbindungsmaterial 80 im wesentlichen den verbleibenden Teil der Ausnehmung 78 auffüllen. Vorzugsweise passen der Körper 60 aus superhartem Material und der zweite Körper 70 aus widerstandsfähigem Material in die Ausnehmung 78 mit gerade soviel Freiraum hinein, daß das Verbindungsmaterial 80 untergebracht werden kann. Eine ausreichende Menge des Verbindungsmaterials 80 wird dazu verwendet, die Baugruppe 82 unter ausreichender Festigkeit und Gleichmäßigkeit, wie sie für die späteren Bearbeitungsschritte und für den Einsatz vor Ort des sich ergebenden AWJ-Mischrohrs erforderlich sind, zu verbinden. Die Baugruppe 82 wird unter Verwendung jeglicher Fixierungsmittel zu einer Einheit verbunden, die unter diesen Umständen zur Bildung eines Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr geeignet sind. Für den Fall, daß das Verbindungsmaterial 80 ein Lötmaterial ist, wird der Schritt des Verbindens dadurch bewerkstelligt, daß man die Temperatur der Baugruppe 82 auf die entsprechende Löttemperatur bringt und dann die Baugruppe 82 mit einer Abkühlrate abkühlt, welche die physikalische Integrität des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr bewahrt. Für den Fall, daß das Verbindungsmaterial 80 ein Klebemittel ist, werden die zur Aushärtung des Klebemittels notwendigen Schritte durchgeführt. Wenn das Verbinden abgeschlossen ist, werden die Außenabmessungen des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr zu diesem Zeitpunkt oder später durch die dem Fachmann bekannten Bearbeitungsverfahren, die sich für das widerstandsfähige Material eignen, geändert, um die Endabmessungen des AWJ-Mischrohrs zu erzeugen. Vorzugsweise werden die erste Stirnfläche 86 und die zweite Stirnfläche 88 des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr so gefertigt, daß sie zueinander parallel und senkrecht zur Längsachse des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr sind. Dann wird ein sich verjüngender Einlaß, wie ein in 4 gezeigter, sich verjüngender Einlaß 34, in der ersten Stirnfläche 86 gebildet, vorzugsweise durch eine Funkenerosions-Eintauchformgebung. Dann setzt man einen Funkenerosions-Bohrvorgang ein, um die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs zu bilden, wie die Längsbohrung 36, die in 4 gezeigt ist, entlang der Längsachse des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr von der Spitze des sich verjüngenden Einlasses durch die zweite Stirnfläche 88 hindurch. Dann kann ein abschließendes Bearbeiten des Rohlings 84 für das AWJ-Mischrohr nach Bedarf durchgeführt werden, um die äußeren Endabmessungen des AWJ-Mischrohrs zu ergeben.
In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird an Stelle eines einzigen Körpers aus superhartem Material eine Mehrzahl an einzelnen Körpern aus superhartem Material bereitgestellt. In dieser Ausführungsform hat jeder der einzelnen Körper aus superhartem Material eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche, derart, daß der Abstand zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche die Länge des einzelnen Körpers aus superhartem Material umfaßt. Die Ausführungsform umfaßt den Schritt, wenigstens eine der ersten und zweiten Stirnflächen jedes einzelnen Körpers aus superhartem Material an einer der ersten und zweiten Stirnfläche eines anderen einzelnen Körpers aus superhartem Material in Anlage zu bringen, so daß die mehreren, einzelnen Körper aus superhartem Material zusammen den Kern aus superhartem Material des Rohlings für das AWJ-Mischrohr bilden. Mit anderen Worten werden die einzelnen Körper aus superhartem Material stirnseitig aneinandergesetzt, um die Gesamtlänge des Kerns aus superhartem Material für das AWJ-Mischrohr zu ergeben.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines AWJ-Mischrohrs 90, das gemäß dieser dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das AWJ-Mischrohr 90 umfaßt mehrere einzelne Körper aus superhartem Material, einen ersten, zweiten und dritten Körper 92, 94, 96 aus superhartem Material, die zusammen den unterteilten Kern 97 aus superhartem Material ergeben. In dem Zustand, in dem die einzelnen Körper aus superhartem Material vor dem Zusammensetzen waren, hatte jeder der einzelnen Körper 92, 94, 96 aus superhartem Material eine erste und eine zweite Stirnfläche, so daß der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Stirnfläche die Länge des einzelnen Körpers aus superhar tem Material umfaßte. Beispielsweise hatte der zweite Körper 94 aus superhartem Material Stirnflächen 98, 100, und hat sie noch, wobei der Abstand zwischen ihnen die Länge 102 des zweiten Körpers 94 aus superhartem Material umfaßt. Während der Bildung des sich verjüngenden Einlasses 34 wurde jedoch ein Teil des ersten Körpers 92 aus superhartem Material durch maschinelle Bearbeitung weggenommen, wobei dieser Teil eben seine erste Fläche im wie bereitgestellten Zustand umfaßte. Eine Stirnfläche 104 des ersten Körpers 92 aus superhartem Material liegt an der Stirnfläche 98 des zweiten Körpers 94 aus superhartem Material an einer ersten Grenzfläche 106 an, und eine Stirnfläche 100 des zweiten Körpers 94 aus superhartem Material liegt an einer Stirnfläche 108 des dritten Körpers 96 aus superhartem Material an einer zweiten Grenzfläche 110 an. Es ist wichtig, daß die Stirnflächen von aneinandergrenzenden Körpern aus superhartem Material mit ausreichender Genauigkeit aneinander anliegen, um einen übermäßigen Erosionsverschleiß an den Anlagegrenzflächen während des Betriebs des fertigen AWJ-Mischrohrs zu vermeiden. Beispielsweise liegen die Stirnflächen 100, 108 der aneinandergrenzenden Körper 94, 96 aus superhartem Material genau genug aneinander an, um einen übermäßigen Erosionsverschleiß an der Anlagegrenzfläche 110 im dritten AWJ-Mischrohr 90 zu vermeiden. Eine übermäßige Erosion ist eine stellenweise Erosion, die wesentlich größer ist als die Erosion, die allgemein entlang der Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs auftritt. Somit ist bevorzugt, daß jede der Stirnflächen der einzelnen Körper aus superhartem Material bearbeitet und/oder flachgeschliffen wird, in paralleler Ausrichtung mit ihrer entgegengesetzten Fläche und senkrecht zur Längsachse des Körpers aus superhartem Material.
Unter Bezug auf 8 ist in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Sinterkarbid als widerstandsfähiges Material verwendet wird, das superharte Material als Teil eines Verbundkörpers 112 bereitgestellt. Der Verbundkörper 112 hat eine Schicht 114 aus superhartem Material, die mit einem gesinterten Wolframkarbidsubstrat 116 verbunden ist. Vorzugsweise wird die Schicht 114 aus superhartem Material auf dem gesinterten Wolframkarbidsubstrat 116 während des Synthesevorgangs für das superharte Material gebildet und der Verbundkörper 112 ist ein Streifen, der durch Funkenerosion aus einer Scheibe aus einem Verbundwerkstoff aus superhartem Material und gesintertem Wolframkarbid, der sich aus dem Synthesevorgang des superharten Materials ergeben hat, herausgearbeitet wurde. Der Verbundkörper 112 ist in der Ausnehmung 118 des Körpers 120 aus widerstandsfähigem Material in gemeinsamer Erstreckung mit dem Verbindungsmaterial 122 so aufgenommen, daß eine Schicht 114 aus superhartem Material einen Kernabschnitt entlang der Längsmittellinie der Baugruppe 124 bildet und das gesinterte Hartmetallsubstrat 116 des Verbundkörpers 112 wenigstens einen Teil und vorzugsweise den gesamten verbleibenden Abschnitt der Ausnehmung 118 auffüllt, wobei gerade genügend Freiraum übrig bleibt, um das Verbindungsmaterial 122 unterzubringen. Für den Fall, daß der Verbundkörper zusammen mit dem Verbindungsmaterial die Aufnahmeausnehmung nicht voll-ständig auffüllt, wird ein bzw. werden mehrere zusätzliche Körper aus widerstandsfähigem Material vorgesehen und dazu verwendet, um den verbleibenden Freiraum in der Ausnehmung im wesentlichen aufzufüllen. Die Baugruppe 124 wird dann zu einer Einheit verbunden, um einen Rohling 126 für ein AWJ-Mischrohr zu bilden, der dann unter Einsatz der wie oben für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Schritte bearbeitet wird.
Was Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen anbelangt, in denen ein widerstandsfähiges Material verwendet wird, wird das widerstandsfähige Material beschrieben als eines, das in Form eines zylindrischen Körpers bereitgestellt wird, mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines Körpers aus superhartem Material und zusätzlichem, widerstandsfähigem Material, um das längsweise Umgeben des Körpers aus superhartem Material mit verschleißfestem Material zu vervollständigen. Die vorliegende Erfindung umfaßt aber auch Verfahren zum Zusammensetzen beliebiger Konfigurationen aus Körpern aus widerstandsfähigem Material und superhartem Material, die zu einer Einheit verbunden werden können, um einen Rohling für ein AWJ-Mischrohr zu bilden, der einen Kern aus superhartem Material aufweist, welcher im wesentlichen über die Länge des Rohlings für das AWJ-Mischrohr von einem widerstandsfähigen Material umgeben ist. Die einzigen Einschränkungen, die in der vorliegenden Erfindung für derartige Verfahren in Betracht gezogen sind, bestehen darin, daß (1) die AWJ-Längsbohrung von einem superharten Material mit einer Dicke von wenigstens 0,005 Zoll (0,13 mm) und vorzugsweise mit einer Dicke von wenigstens 0,010 Zoll (0,25 mm) umgeben sein soll, und (2) für den Fall, wo zur Bildung des Kerns aus superhartem Material mehrere Körper aus superhartem Material verwendet werden, die Flächen aneinanderstoßender Körper aus superhartem Material so gefertigt sind, daß sie aneinander mit ausreichender Genauigkeit anliegen, um einen übermäßigen Erosionsverschleiß an den Anlagegrenzflächen während des Betriebs des fertigen AWJ-Mischrohrs zu vermeiden.
Beispielsweise liegt in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Hauptabschnitt des widerstandsfähigen Materials nicht in Form eines zylindrischen Körpers mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines Körpers aus superhartem Material vor, sondern liegt vielmehr als Teil eines Verbundkörpers aus dem widerstandsfähigen Material und dem superharten Material vor. Mit Bezug auf 9A ist ein Körper 128 aus superhartem Material in einer Nut 130 eines gesinterten Wolframsubstrats 132 einer Verbundkörperscheibe 134 gebildet und dort eingebunden. Die Verbundkörperscheibe 134 wird vorzugsweise durch Funkenerosionsbearbeitung in Streifen zerteilt, wie z.B. den Verbundkörperstreifen 136, wobei jeder Streifen einen Körper 128 aus superhartem Material aufweist, der an drei Seiten von gesintertem Wolframkarbid als widerstandsfähigem Material 138 umgeben ist. Es ist ein aus widerstandsfähigem Material bestehender Verschlußkörper 140 aus gesintertem Wolframkarbid vorgesehen und auf eine Fläche 142 des Verbundkörperstreifens 136 zusammen mit einem Verbindungsmaterial 144 aufgesetzt, um die Baugruppe 146 zu ergeben. Der Verschlußkörper 140 aus widerstandsfähigem Material wird dann mit dem Verbundkörperstreifen 136 verbunden, um einen Rohling 148 für ein AWJ-Mischrohr zu bilden, der dann unter Einsatz der oben für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Schritte zu einem AWJ-Mischrohr weiterverarbeitet wird.
Als weiteres Beispiel möglicher Konfigurationen von Körpern aus widerstandsfähigem Material und superhartem Material, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wird in einer sechsten Ausführungsform unter Bezug auf 10 ein U-förmiger Körper 150 aus widerstandsfähigem Material mit einer Ausnehmung 152 bereitgestellt. Ein Körper 154 aus superhartem Material wird als Teil eines Verbundkörpers 156 bereitgestellt. Der Verbundkörper 156 umfaßt den Körper 154 aus superhartem Material, der an ein gesintertes Wolframkarbidsubstrat 158 angeformt und damit verbunden ist. Der Verbundkörper 156 ist in gemeinsamer Erstreckung mit dem Verbindungsmaterial 160 in der Ausnehmung 152 des U-förmigen Körpers 150 aus widerstandsfähigem Material so aufgenommen, daß der Körper 154 aus superhartem Material einen Kernabschnitt entlang der Längsmittellinie der Baugruppe 162 bildet und das gesinterte Wolframkarbidsubstrat 158 des Verbundkörpers 140 wenigstens einen Teil, und vorzugsweise den gesamten verbleibenden Abschnitt der Ausnehmung 152 auffüllt, wobei gerade so viel Freiraum vorhanden ist, um das Verbindungsmaterial 160 unterzubringen. Die Baugruppe 162 wird dann verbunden, um einen Rohling 164 für das AWJ-Mischrohr zu bilden, der dann unter Einsatz der wie oben für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Schritte bearbeitet wird.
In einigen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen im AWJ-Mischrohr ein sich verjüngender Einlaß gebildet wird, in der An, daß ein Teil des widerstandsfähigen Materials im Einlaß freiliegt, umfaßt die vorliegende Erfindung gegebenenfalls den Schritt des Abscheidens einer Hartstoffbeschichtung durch Dampfabscheidung, d.h. durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) und/oder chemische Dampfabscheidung (CVD), auf dem freiliegenden, widerstandsfähigen Material. Beispiele für solche Hartstoffbeschichtungen umfassen, ohne einschränkend zu sein, Diamant, Titannitrid, Titankarbid, Titankarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Aluminiumoxid und ihre Kombinationen. Die Hanstoffbeschichtung verleiht dem darunterliegenden, widerstandsfähigen Material Schutz, welches Material andernfalls der Erosion durch den Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und die abrasiven Partikel, die in den Einlaß des AWJ-Mischrohrs eintreten, ausgesetzt wäre. Die Hartstoffbeschichtung kann aus einer oder aus mehreren Lagen bestehen und kann entweder direkt auf das freiliegende, widerstandsfähige Material aufgebracht werden, oder auf eine oder mehrere Zwischenschichten aus anderen Materialien, die abgeschieden sind, um das Anhaften oder die Beständigkeit der Hartstoffbeschichtung zu fördern. Die Dicke der Hartstoffbeschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 Mikrometern.
Beispielsweise zeigen die 11A und 11B den Einlaßabschnitt eines AWJ-Mischrohrs, der durch ein Verfahren gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet wurde, und zwar bevor bzw. nachdem eine CVD-Diamantbeschichtung direkt auf das freiliegende, widerstandsfähige Material im Einlaß abgeschieden worden ist. Unter Bezug auf 11A wird in dieser Ausführungsform das AWJ-Mischrohr 166 unter Einsatz der Schritte vorbereitet, die oben für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, und in denen ein Einlaß gebildet wird. Hier wurde durch die Formgebung des Einlasses 34 ein Abschnitt des Kerns 44 aus superhartem Material in unmittelbarer Nähe des Eintrittsendes 31 eines AWJ-Mischrohrs 166 entfernt, wodurch das widerstandsfähige Material 45 eine freiliegende Fläche 168 im Inneren des Einlasses 34 angrenzend an die Kernfläche 170 aus superhartem Material hat. Unter Bezug auf 11B wird, nachdem der Einlaß 34 gebildet worden ist, auf die freiliegende Fläche 168 aus dem widerstandsfähigen Material im Einlaß 34 eine Diamantbeschichtung 172 durch CVD in einer oder mehreren Schichten aufgebracht. Die Diamantbeschichtung 172 erstreckt sich vorzugsweise auch über wenigstens einen Teil der Kernfläche 170 aus superhartem Material, so daß der Übergang 174 zwischen der freiliegenden Fläche 168 aus widerstandsfähigem Material und der Kernfläche 170 aus superhartem Material durch die CVD-Diamantbeschichtung 172 bedeckt ist. Verfahren zum Abscheiden von Hartstoffbeschichtungen durch CVD sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und die in diesem Schritt notwendigen Bedingungen zur Abscheidung einer CVD-Hartstoffbeschichtung sind für einen Fachmann ohne Rückgriff auf übertriebenes Experimentieren leicht ermittelbar.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen AWJ-Mischrohre sowie Verfahren zu deren Herstellung, die einen Strömungsdurchgang umfassen, der durch Funkenerosion in wenigstens einem verschleißfesten Materialteil gebildet ist, wobei wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Die Dicke der Auskleidung aus superhartem Material beträgt vorzugsweise mindestens etwa 0,005 Zoll (0,13 mm) und bevorzugter mindestens etwa 0,010 Zoll(0,25 mm). In diesen Ausführungsformen eingeschlossen sind aus einzelnen Bestandteilen bestehende AWJ-Mischrohre sowie aus vielen Bestandteilen bestehende AWJ-Mischrohre, die mehrere Bestandteile umfassen und wenigstens einen Anschluß, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann und ein Bestandteil mit einem anderen so verbindet, daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander in Verbindung stehen, um den Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs zu bilden, und bei denen der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Die vorliegende Erfindung umfaßt beispielsweise AWJ-Mischrohre mit einem Einlaßteil, das mit einem Rumpfteil für ein AWJ-Mischrohr verbunden ist. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch AWJ-Mischrohre, die einen angeschlossenen Austrittsabschnitt haben. Es sollte klar sein, daß, so wie hier verwendet, ein AWJ-Mischrohr als ein aus mehreren verbundenen Bestandteilen bestehendes Mischrohr mit wenigstens einem Anschluß betrachtet wird, wenn, und nur wenn das AWJ-Mischrohr, das diese Bestandteile und den Anschluß bzw. die Anschlüsse umfaßt, eine einteilige Einheit ist, die als Einzelteil gehandhabt und als solches in einen AWJ-Schneidkopf eingebracht werden kann.
In Ausführungsformen, die einen abnehmbaren Anschluß umfassen, ist vorzugsweise wenigstens eines der Bestandteile des AWJ-Mischrohrs, das mittels des abnehmbaren Anschlusses angeschlossen ist, potentiell wiederverwendbar. In Betrachtung der vorliegenden Erfindung ist ein Anschluß abnehmbar, solange der Vorgang, durch den die Verbindung zustande gekommen ist, zum Trennen der Bestandteile umgekehrt durchgeführt werden kann, ohne den wiederverwendbaren Bestandteil zu so einem Grad zu beschädigen, wo er für weiteren Gebrauch ungeeignet ist. Beispielsweise und ohne Einschränkung kann eine abnehmbare Verbindung dadurch zustande kommen, daß die zusammenpassenden Enden aneinander grenzender Bestandteile durch eine Gewindeverbindung, durch eine Preßpassung, durch Löten oder durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden werden.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die einen oder mehrere Anschlüsse zwischen Bestandteilen eines AWJ-Mischrohrs aufweisen, ist jeder Anschluß so ausgebildet, daß der Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs durchgängig und frei ist, und aneinandergrenzende Bestandteile werden ausreichend genau miteinander in Anlage gebracht, so daß ein übermäßiger Erosionsverschleiß an ihren Grenzflächen während des Betriebs des AWJ-Mischrohrs vermieden ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Ausführungsformen, in denen ein AWJ-Mischrohr mit einer mit superhartem Material ausgekleideten Längsbohrung einen Rumpfabschnitt des AWJ-Mischrohrs umfaßt, der mit einem Einlaßteil verbunden ist. Das Einlaßteil hat in diesen Ausführungsformen einen sich verjüngenden Einlaß, der in einem Substrat aus widerstandsfähigem Material gebildet ist, und ein superhartes Material, das am sich verjüngenden Einlaß des Substrats aus widerstandsfähigem Material gebildet ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, hat das Einlaßteil auch einen Bohrungsabschnitt, der sich von der Spitze seines sich verjüngenden Einlasses erstreckt, und superhartes Material ist auch auf diesem Bohrungsabschnitt gebildet. Die Dicke des superharten Materials am sich verjüngenden Einlaß und am optionalen Bohrungsabschnitt des Einlaßteils beträgt wenigstens etwa 0,005 Zoll (0,13 mm) und bevorzugter wenigstens etwa 0,010 Zoll (0,25 mm). Die Stärke des superharten Materials des Einlaßteils kann dieselbe sein wie die Stärke des superharten Materials des Rumpfabschnitts des AWJ-Mischrohrs, oder kann von ihr verschieden sein. Der Rumpfabschnitt für das AWJ-Mischrohr wird unter Einsatz der Schritte hergestellt, die oben für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines AWJ-Mischrohrs mit einer mit superhartem Material ausgekleideten Längsbohrung beschrieben sind, mit Ausnahme der Ausbildung des Einlaßabschnitts. Das Einlaßteil und der Rumpfabschnitt werden so miteinander verbunden, daß die Mittellinie des sich verjüngenden Einlasses des Einlaßteils und die Mittellinie der Bohrung des Rumpfabschnitts für das AWJ-Mischrohr im wesentlichen kollinear sind. Das Verbinden kann unter Einsatz eines Verbindungsmaterials wie ein Lot oder ein Klebemittel bewerkstelligt werden.
12 zeigt das Einlaßende eines AWJ-Mischrohrs gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das AWJ-Mischrohr ein Einlaßteil und einen Rumpfabschnitt für das AWJ-Mischrohr umfaßt. Unter Bezug auf 12 umfaßt das AWJ-Mischrohr 176 ein Einlaßteil 178 und ein Rumpfteil 180 für das AWJ-Mischrohr, die miteinander verbunden sind. Das Einlaßteil 178 besteht aus einem Substrat 182 aus widerstandsfähigem Material mit einem sich verjüngenden Einlaß 184 und einer Bohrungsverlängerung 186, auf der ein superhartes Material 188 gebildet wurde. Das Rumpfteil 180 des AWJ-Mischrohrs umfaßt widerstandsfähiges Material 45, einen Kern 44 aus superhartem Material und eine Längsbohrung 36. Die Stirnfläche 190 des superharten Materials des Einlaßteils 178 und die Stirnfläche 192 des Kerns des Rumpfteils 180 des AWJ-Mischrohrs liegen aneinander entlang einer Grenzfläche 194 an. Es ist wichtig, daß die Stirnflächen 190, 192 aneinander präzise genug anliegen, um einen übermäßigen Erosionsverschleiß an der Grenzfläche 194 während des Betriebs des fertigen AWJ-Mischrohrs zu vermeiden.
13 zeigt ein AWJ-Mischrohr gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Verwendung einer Gewindeverbindung dargestellt, um die Bestandteile eines AWJ-Mischrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung abnehmbar zu verbinden. In dieser Ausführungsform sind auch zusätzliche konstruktive Gestaltungen dargestellt, die zum Auftau von AWJ-Mischrohren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
In dieser Ausführungsform umfaßt das AWJ-Mischrohr 200 einen oberen Abschnitt 202, der an einer Gewindeverbindung 206 abnehmbar mit dem unteren Abschnitt 204 verbunden ist. Der obere Abschnitt 202 besteht aus einer zylindrischen Verbundkörperscheibe 208 und einer oder mehreren Scheiben aus superhartem Material, d.h. aus zylindrischen Scheiben 210 bis 224 aus superhartem Mate rial. Diese Scheiben sind in einem oberen Teilmantel 226 eingeschlossen. Die Verbundkörperscheibe 208 und die Scheibe 210 aus superhartem Material erstrekken sich radial zum oberen Mantelteil 226. Die Scheiben 210 bis 224 aus superhartem Material müssen sich radial nicht so weit erstrecken, und können eine bestimmte Menge an anderem verschleißfesten Material aufweisen, das zwischen ihrem jeweiligen Außenumfang und dem oberen Mantelteil 226 angeordnet ist.
Jede der Scheiben 210 bis 224 aus superhartem Material kann aus einem größeren Stück aus superhartem Material mittels Funkenerosion oder durch andere, dem Fachmann bekannte Mittel geschnitten werden, oder kann durch einen Synthesevorgang auf ihre Endabmessungen bzw. nahe an ihre Endabmessungen gebracht werden. Die Dicke in der Längsrichtung muß nicht für alle Scheiben 210 bis 224 aus superhartem Material dieselbe sein und kann jeden beliebigen Wert annehmen, bevorzugter Weise hat jedoch jede Scheibe 210 bis 224 aus superhartem Material eine Dicke im Bereich von ca. 0,06 bis ca. 0,2 Zoll(1,5 bis 5 mm).
Die Verbundkörperscheibe 208 umfaßt eine Schicht 228 aus Wolframkarbid und eine Schicht 230 aus superhartem Material, die miteinander verbunden sind das Verbinden erfolgt vorzugsweise während des Bildungsprozesses der Schicht 230 aus superhartem Material. Die Schicht 228 aus Wolframkarbid bildet einen Rand 231 am Einlaßende 236 des AWJ-Mischrohrs 200. Obwohl eine Scheibe aus superhartem Material anstelle der Verbundkörperscheibe 208 verwendet werden könnte, ist es eher vorzuziehen, daß die Scheibe am Einlaßende 236 des AWJ-Mischrohrs 200 aus einem Verbundstoffmaterial gefertigt ist, das aus einem superharten Material und einem verschleißfesten Material besteht, das weniger hart als ein superhartes Material ist. Der Grund dafür ist, daß es in solch einem verschleißfesten Material leichter ist, eine Ausnehmung wie z.B. eine Ausnehmung 232 zur Aufnahme einer Schulter 234 des oberen Teilmantels im Rand 231 zu bilden, als in einem superharten Material. Die Dicke des verschleißfesten Materials sollte so klein wie möglich sein, während dennoch die Bildung der Ausnehmung ermöglicht ist.
Der Übergang zwischen dem sich verjüngenden Einlaß und dem Bohrungsabschnitt befindet sich vorzugsweise beabstandet von einer Grenzfläche zwischen einer Verbundkörperscheibe und einer Scheibe aus superhartem Material oder einer Grenzfläche zwischen zwei Scheiben aus superhartem Material. 13 stellt diese bevorzugte Anordnung dar, da der Übergang 235 zwischen dem sich verjüngenden Einlaß 237 und einer oberen Längsbohrung 238 innerhalb einer Scheibe aus superhartem Material, der Scheibe 210 aus superhartem Material, von solchen Grenzflächen beabstandet angeordnet ist.
Der obere Abschnitt 202 kann so aufgebaut sein, daß man die Verbundkörperscheibe 208 und die Scheiben 210 bis 224 aus superhartem Material in den oberen Teilmantel 226 einsetzt; dann kann die Funkenerosionsbearbeitung des sich verjüngenden Einlasses 237 und der Längsbohrung 238 im oberen Abschnitt erfolgen. Die Funkenerosionsbearbeitung dieser Abschnitte des Strömungsdurchgangs 240 des AWJ-Mischrohrs 200, nachdem die Scheiben 208 bis 224 zusammengesetzt worden sind, vermeidet Paßfehler an den Übergängen von aneinander angrenzenden Scheiben entlang des Strömungsdurchgangs 240, wodurch an diesen Stellen während des Betriebs des AWJ-Mischrohrs 200 Erosion minimiert ist. Vorzugsweise werden die aneinandergrenzenden Flächen von aneinandergrenzenden Scheiben so vorbereitet, daß ihre Passung zueinander verbessert ist. Z.B. kann dies, ohne einschränkend zu sein, durch eine Funkenerosions-Planbearbeitung und/oder durch mechanisches Schleifen oder Polieren aneinandergrenzender Flächen erfolgen, so daß die Konturen jeweils zusammenpassen. Es ist wichtig, daß die Stirnflächen aneinandergrenzender Scheiben aus superhartem Material präzise genug miteinander in Anlage gebracht sind, um einen übermäßigen Erosionsverschleiß an den Anlagegrenzflächen während des Einsatzes des fertigen AWJ-Mischrohrs zu vermeiden.
Der Schritt des Zusammensetzens der Scheiben aus superhartem Material kann auf vielfältige Weise bewerkstelligt werden. Z.B. können, wie dies in 13 der Fall ist, die Scheiben 208 bis 224 einfach in den oberen Körpermantel 226 eingesetzt oder aneinandergepreßt werden. Alternativ dazu können aneinander grenzende Scheiben durch Klebemittel oder durch Löten miteinander verbunden werden, bevor sie in den Mantel eingesetzt werden oder nachdem sie dort eingesetzt worden sind. Zwischen den Flächen aneinandergrenzender Scheiben aus superhartem Material können kleine Mengen eines Dichtungsmaterials oder sehr dünne Dichtscheiben verwendet werden, um das Zusammenpassen der Scheiben zu verbessern, oder um sie vor Beschädigung während des Einsetzens oder während der Preßpaßvorgänge zu schützen. Vorzugsweise wird ein Abstandsmaterial verwendet, um jeglichen Raum zwischen den zusammengesetzten Scheiben aus superhartem Material und dem Mantel zu füllen, um die räumliche Lage der Scheiben aus superhartem Material in Bezug auf den Mantel zu fixieren.
Mit weiterem Bezug auf 13 umfaßt der untere Abschnitt 204 einen Kern 242 aus verschleißfestem Material, eine erste und zweite Zentrierkupplung 244, 246, ein Abstandsmaterial 248 und einen unteren Teilmantel 250. Das verschleißfeste Material, welches den Kern 242 aus verschleißfestem Material aufweist, ist am meisten bevorzugt ein superhartes Material. Eine „Zentrierkupplung" ist, so wie der Begriff hier verwendet wird, eine Vorrichtung, die dazu dient, das eine Teil bzw. die mehreren Teile aus verschleißfestem Material innerhalb des Mantels des AWJ-Mischrohrs so zu zentrieren, daß das Teil bzw. die Teile aus verschleißfestem Material so angeordnet ist/sind, daß es/sie in der Bohrung des AWJ-Mischrohrs sauber ausgerichtet ist/sind. Eine Zentrierkupplung dient auch dazu, das verschleißfeste Material zentriert an Ort und Stelle zu halten, während ein Abstandsmaterial zwischen dem verschleißfesten Material und dem Mantel eingesetzt ist. In Ausführungsformen mit Zentrierkupplungen kann eine bzw. können mehrere Zentrierkupplungen verwendet werden. Eine Zentrierkupplung hat vorzugsweise eine rohrförmige Gestalt und einen Außendurchmesser, der einen engen Gleitsitz mit dem Innendurchmesser des Mantels hat, in den sie eingesetzt werden soll, und einen Innendurchmesser, der einen engen Gleitsitz mit dem/den Materialteil(en) aus verschleißfestem Material hat, das/die sie enthalten wird. Für den Fall, daß eine einzige Zentrierkupplung mit zwei verschleißfesten Materialteilen verwendet wird, wobei die Querschnittsform und/oder die Gestalt eines der verschleißfesten Materialteile von denen des anderen unterschiedlich ist, sollte das Innere der Zentrierkupplung so ausgelegt sein, daß es jedes der verschleißfesten Materialteile mit engem Sitz aufnimmt. Ein jeglicher vorhandener Spalt zwischen dem Inneren der Zentrierkupplung und dem/den verschleißfesten Materialteilen) kann mit einem Abstandsmaterial aufgefüllt werden.
Der untere Abschnitt 204 kann gebildet werden, indem man die erste und zweite Zentrierkupplung 244, 246 auf die entgegengesetzten Enden des Kerns 242 aus verschleißfestem Material aufschiebt. Diese Baugruppe wird dann in den unteren Teilmantel 250 eingesetzt. Ein Raumfüllmaterial 248 wird dann zwischen den unteren Teilmantel 250 und den Kern 242 aus verschleißfestem Material eingebracht, indem man das Raumfüllmaterial 248 in flüssiger Form durch einen Einspritzkanal 252 einspritzt. Das Abstandsmaterial 248 fließt auch in jegliche Spalte, die zwischen dem Kern 242 aus verschleißfestem Material und der ersten und zweiten Zentrierkupplung 244, 246 vorhanden sein könnten. Zu diesem Zeitpunkt kann die Längsbohrung 254 des unteren Abschnitts durch Funkenerosionsbearbeitung in den Kern 242 aus verschleißfestem Material eingearbeitet werden.
Der obere und der untere Abschnitt 202, 204 werden miteinander verbunden, indem man diese beiden Bestandteile an der Verbindungsstelle 206 durch eine Gewindeverbindung miteinander verbindet, bis die obere Stirnfläche 256 des Kerns 242 aus verschleißfestem Material in Paßkontakt mit der unteren Stirnfläche 258 der am weitesten unten liegenden Scheibe 224 aus superhartem Material gelangt. Vorzugsweise sind die Stirnflächen 256, 258 so aufbereitet, daß sie aneinander genügend genau anliegen, so daß ein übermäßiger Erosionsverschleiß an ihrer Grenzfläche während des Einsatzes des AWJ-Mischrohrs 200 vermieden ist. Am Übergang vom oberen und unteren Abschnitt 202, 204 wird wahlweise eine Dichtung 260 verwendet, um ein zu festes Anziehen dieser beiden Bestandteile zu vermeiden zu helfen, so daß eine Beschädigung des verschleißfesten Kerns 242 oder der zuunterst liegenden Scheibe 244 aus superhartem Material vermieden ist.
Wie gerade beschrieben wurde, können die einzelnen Abschnitte des Strömungsdurchgangs 240, die sich im oberen bzw. unteren Abschnitt 202, 204 befin den, maschinell bearbeitet werden, bevor man diese Bestandteile des AWJ-Mischrohrs 200 miteinander in Verbindung bringt. Eine weitere Option ist, mit der Funkenerosionsbearbeitung eines Teils bzw. des ganzen Strömungsdurchgangs 240 solange zu warten, bis der obere und untere Abschnitt miteinander verbunden sind. Der erstgenannte Lösungsansatz hat den Vorteil eines erleichterten Ersetzens eines Bestandteils, das während des Einsatzes des AWJ-Mischrohrs verschlissen worden ist, während der letztere Lösungsansatz den Vorteil hat, daß die Möglichkeit eines Paßfehlers am Übergang der zuunterst liegenden Scheibe 224 aus superhartem Material und dem Kern 242 aus verschleißfestem Material verringert ist, was die Erosion an ihrer Grenzfläche minimiert.
Obwohl die Bestandteile oberer und unterer Abschnitt 202, 204 des AWJ-Mischrohrs 200 als unterschiedliche Konstruktionen gezeigt sind, sollte klar sein, daß diese Bestandteile einen ähnlichen Aufbau haben können. Darüber hinaus kann die Konstruktion eines jeden Bestandteils gemäß irgendeiner An oder Kombinationsart gestaltet sein, die mit Bezug auf eine beliebige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind. Es sollte auch klar sein, daß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die Bestandteile umfassen, die abnehmbar miteinander verbunden sind, eine beliebige Anzahl an Bestandteilen umfassen können, und daß die relativen Längen der Bestandteile jeden Wert annehmen können.
In 14 ist eine zehnte Ausführungsform eines AWJ-Mischrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Einsatz eines verschleißfesten Materials dargestellt, das kein superhartes Material ist und die Bohrung in einer Zwischenzone des Strömungsdurchgangs des AWJ-Mischrohrs auskleidet. Unter Bezug auf 14 umfaßt das AWJ-Mischrohr 300 einen oberen Abschnitt 302, der an einer Gewindeverbindung 306 mit einem unteren Abschnitt 304 abnehmbar verbunden ist. Unter Vergleich der 13 und 14 kann man sehen, daß das AWJ-Mischrohr 300 dasselbe ist wie das AWJ-Mischrohr 200, mit der Ausnahme, daß die Scheiben 216 bis 224 aus superhartem Material des AWJ-Mischrohrs 200 durch einen Zylinder 308 aus verschleißfestem Material ersetzt worden sind, der nicht aus einem superharten Material ist. Obwohl in der vorliegenden Erfindung auch in Betracht gezogen wird, daß ein jeglicher Abschnitt des Strömungsdurchgangs des AWJ-Mischrohrs mit einem verschleißfesten Material ausgekleidet werden kann, welches kein superhartes Material ist, wird bevorzugt, solange hinsichtlich der Maximierung der Lebensdauer des AWJ-Mischrohrs zumindest der Teil des Strömungsdurchgangs mit einem superharten Material ausgekleidet ist, der für den Benutzer von bestimmtem Interesse ist, daß der Einsatz von verschleißfesten Materialien, die keine superharten Materialien sind, auf die Strömungsdurchgangszone beschränkt bleibt, in der die abrasiven Partikel in einer säulenartigen Strömung fließen, da eine derartige Zone weniger dem abrasiven Verschleiß während des Einsatzes des AWJ-Mischrohrs unterliegt als Zonen, in denen die Partikelströmung nicht in einer säulenartigen Strömung erfolgt.
Unter ihren Ausführungsformen umfaßt die vorliegende Erfindung auch alle AWJ-Mischrohre mit einem superharten Material, das die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs auskleidet. Vorzugsweise umgibt bei diesen Ausführungsformen das superharte Material die Längsbohrung des AWJ-Mischrohrs mit einer Auskleidungsdicke von wenigstens 0,005 Zoll (0,13 mm), und bevorzugter von wenigstens 0,010 Zoll(0,25 mm).
Die vorliegende Erfindung umfaßt unter ihren Ausführungsformen auch AWJ-Systeme mit einem Mischrohr, das ein superhartes Material umfaßt. Solche Ausführungsformen umfassen AWJ-Systeme mit einem AWJ-Mischrohr, das einen Strömungsdurchgang umfaßt, der durch Funkenerosion in wenigstens einem verschleißfesten Material ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung aufweist, die ein superhartes Material umfaßt. Diese AWJ-Systeme umfassen diejenigen AWJ-Systeme mit AWJ-Mischrohren, die mehrere Bestandteile und wenigstens einen Anschluß umfassen, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann und ein Bestandteil mit einem anderen so verbindet, daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander so in Verbindung stehen, daß der Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs gebil det ist, und bei denen der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung aufweist, die ein superhartes Material umfaßt. Solche AWJ-Systeme können eine Zwischenpumpe umfassen, einen Filter, eine Verstärkungspumpe, eine Hochdruckpumpe, einen AWJ-Bearbeitungskopf, einen Bewegungsmechanismus für den AWJ-Bearbeitungskopf und einen Sammeltank, so wie diejenigen, die im in 1 dargestellten System aus dem Stand der Technik abgebildet sind.
AWJ-Systeme der vorliegenden Erfindung mit einem, ein superhartes Material umfassenden Mischrohr, verwenden eine beliebige Sorte abrasiver Partikel, einschließlich und ohne einschränkend zu sein, Granat, Olivin, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Diamant, und andere Mineralien und Keramiken, sowie ihre Mischungen und Kombinationen. Vorzugsweise verwenden solche AWJ-Systeme abrasive Partikel mit einer Härte größer als die von Granat, beispielsweise Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, Diamant oder ihre Kombinationen untereinander, und andere Materialien und ihre Mischungen und Kombinationen. Für den Fall, daß abrasive Partikel wie Diamant verwendet werden, können die Diamantpartikel aus dem Sammeltank wiedergewonnen werden, können gereinigt und wiederverwendet werden, wo es kostengünstig ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Verfahren zum Einsatz eines AWJ-Systems, mit den Schritten (1) Bereitstellen eines AWJ-Mischrohrs mit einem Strömungsdurchgang, der durch Funkenerosionsbearbeitung in wenigstens einem verschleißfesten Material eingearbeitet wurde, wobei wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt; (2) Bereitstellen von abrasiven Partikeln; (3) Ausstoßen der abrasiven Partikel aus dem AWJ-Mischrohr; und (4) Bearbeiten eines Werkstücks mit den ausgestoßenen abrasiven Partikeln. Ein so bereitgestelltes AWJ-Mischrohr kann mehrere Bestandteile und wenigstens einen Anschluß umfassen, der ein abnehmbarer Anschluß sein kann, und ein Bestandteil mit einem anderen so verbindet, daß die Strömungsdurchgänge eines jeden der einzelnen Bestandteile miteinander in Ver bindung stehen, um den Strömungsdurchgang des AWJ-Mischrohrs zu bilden, und bei dem der Strömungsdurchgang von wenigstens einem der mehreren Bestandteile eine Auskleidung hat, die ein superhartes Material umfaßt. Beispiels- weise und ohne Einschränkung umfaßt die vorliegende Erfindung unter ihren Ausführungsformen auch Verfahren zum Einsetzen eines AWJ-Systems mit den Schritten, ein Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl bereitzustellen, das eine mit einem superharten Material ausgekleidete Längsbohrung hat, abrasive Partikel bereitzustellen, die abrasiven Partikel aus dem Mischrohr für den abrasiven Wasserstrahl auszustoßen, und ein Werkstück mit den ausgestoßenen abrasiven Partikeln zu bearbeiten. Solche Verfahren können den Schritt umfassen, die abrasiven Partikel aus der Gruppe auszuwählen, die kubisches Bornitrid, Diamant, ihre Kombinationen miteinander und andere Materialien umfaßt. Wo abrasive Partikel so aus dieser Gruppe ausgewählt sind, umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung das Bearbeiten einer jeglichen Art Werkstück, einschließlich Werkstücke, die zur Gänze oder teilweise ein Material umfassen, das eine Härte von etwa 9 oder darüber auf der Mohs-Skala hat. Es ist festzuhalten, daß alle hier genannten Bezugnahmen auf die Mohs-Skala sich auf die ursprüngliche Mohs-Härteskala beziehen, auf der Diamant eine Mohs-Härte von 10 hat. Beispiele von Materialien mit einer Härte von etwa 9 oder darüber umfassen, ohne Einschränkung, Diamant und kubisches Bornitrid.
Die vorliegende Erfindung zieht auch in Betracht, daß das widerstandsfähige Material jegliches Material sein kann, das in der Lage ist, mit einem superharten Material verbunden zu werden, oder so zu wirken, daß die Empfindlichkeit des AWJ-Mischrohrs gegenüber Beschädigung durch von außen kommende Kräfte reduziert ist, oder so zu wirken, daß die Einpassung der Auskleidung des Kerns aus superhartem Material in den AWJ-Bearbeitungskopf erleichtert ist. Vorzugsweise ist das widerstandsfähige Material auch in der Lage, das superharte Material zu verstärken, um zu verhindern, daß das AWJ-Mischrohr durch den Gegendruck des Wasserstrahls beschädigt wird, für den Fall, daß das AWJ-Mischrohr während des Einsatzes verstopft werden sollte. Beispiele für solche Materialien umfassen ohne Einschränkung Stähle, gesinterte Wolframkarbide, Keramik und Cermets.
Bei Konstruktionen von AWJ-Mischrohren, bei denen das widerstandsfähige Material einem Erosionsverschleiß von dem Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl und abrasiven Partikeln während des AWJ-Einsatzes ausgesetzt sind, wie z.B. bei Konstruktionen, bei denen ein Abschnitt des widerstandsfähigen Materials als Teil des sich verjüngenden Einlasses des AWJ-Mischrohres freiliegt, ist das widerstandsfähige Material jedoch vorzugsweise Stahl oder gesintertes Wolframkarbid. Bevorzugte Stähle umfassen verschleißfeste Legierungs- oder Werkzeugstähle wie z.B. die Stahlqualitäten 4140, 4340, H13 und A8. Bevorzugte Qualitäten von gesintertem Wolframkarbid umfassen diejenigen Qualitäten, die ungefähr 0 bis 20 Gew.-% Bindemittel enthalten (z.B. Kobalt oder Kobalt/Nickel-Legierungen), noch bevorzugter ungefähr 6 bis 16 Gew.-% Bindemittel.
In der vorliegenden Erfindung ist in Betracht gezogen, daß das Verbindungsmaterial ein jegliches Verbindungsmaterial sein kann, das in der Lage ist, superhartes Material mit der bestimmten, während der praktischen Umsetzung der Erfindung verwendeten Materialart, die widerstandsfähig ist, zu verbinden. Obwohl der Bequemlichkeit halber in den begleitenden Zeichnungen das Verbindungsmaterial in Form dünner Streifen dargestellt worden ist, ist in der vorliegenden Erfindung auch in Betracht gezogen, Verbindungsmaterial in jeglicher Form zu verwenden, die das Verbinden des superharten Materials mit den Körpern aus widerstandsfähigem Material erleichtert. Darüber hinaus ist, obwohl die hierin beschriebenen Verfahren so beschrieben sind, daß das Verbindungsmaterial mit dem widerstandsfähigen Material und den Körpern aus superhartem Material zu einer Baugruppe zusammengesetzt wird, in der vorliegenden Erfindung auch in Betracht gezogen, daß das Hinzufügen des Verbindungsmaterials durch jegliches Mittel erfolgen kann, das dazu führt, daß das widerstandsfähige Material und die Körper aus superhartem Material in einem Rohling für ein AWJ-Mischrohr miteinander verbunden werden. Beispielsweise umfaßt die vorliegende Erfindung das Zusammensetzen des widerstandsfähigen Materials und der Körper aus superhartem Material zu einer Baugruppe, und dann das Infiltrieren der Baugruppe mit einem flüssigen Verbindungsmaterial. Beispiele für geeignete Verbindungsmaterialien umfassen Lote und Klebemittel. Für den Fall, daß als Widerstandsfähiges Material gesintertes Wolframkarbid verwendet wird, ist das Verbindungsmaterial vorzugsweise eine Lötlegierung. Ein Beispiel für eine geeignete Lötlegierung ist eine Lötlegierung mit einem Liquidus von 606°C, und mit 15% Kupfer, 16% Zink, 45% Silber und 24% Kadmium, wie z.B. Easy-Flo 45, die von Handy & Harman, Kanada, Limited, 290 Carlingview Drive, Rexdale, Ontario, Kanada M9W5G1 erhältlich ist. Für den Fall, daß als widerstandsfähiges Material Stahl verwendet wird, ist das Verbindungsmaterial vorzugsweise ein Klebemittel. Ein Beispiel für ein geeignetes Klebemittel ist ein aus zwei Komponenten bestehender, bei Raumtemperatur vernetzbarer, organischer Klebstoff wie z.B. Aremco-Bond (TM) 631, der von Aremco Products, Inc. P.O. Box 429, Ossining, New York, 10562 erhältlich ist.
Handelsüblicher PCD eignet sich zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. PCD ist in Form von Flächenkörpern und Scheiben in Dicken von bis zu etwa 0,2 Zoll (5 mm) im Handel erhältlich. Scheiben aus PCD sind in Durchmessern von bis zu ca. 3 Zoll (78 mm) im Handel erhältlich. PCD ist im Handel in einer Vielzahl von Korngrößen erhältlich und mit Metallgehalten von ca. 4 bis 8 Vol.-%. Dieser Metallgehalt kann, ohne einschränkend zu sein, beispielsweise Kobalt oder Kobalt/Nickel-Legierungen umfassen. Die mittlere PCD-Korngröße kann in der Größenordnung von 0,1 bis 100 Mikrometer sein. Beispiele für derzeit im Handel erhältliche PCD-Qualitäten haben mittlere Korngrößen von etwa 2, 10, 25 und 75 Mikrometer. PCD, der sich zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignet, ist von Diamond Abrasives Corporation, 35 West 45th Street, New York, New York 10036, und von General Electric, 6325 Huntley Road, Box 568, Worthington, Massachusetts 43085 erhältlich.
In der vorliegenden Erfindung ist in Betracht gezogen, daß das verschleißfeste Material superharte Materialien wie hier angegeben umfaßt, sowie auch nicht so teuere Materialien, die dem Fachmann bekannt sind und die in der Lage sind, der Abrasion durch die abrasiven Partikel, die in Verbindung mit dem AWJ-Mischrohr verwendet werden, im wesentlichen zu widerstehen. Beispielsweise und ohne Einschränkung umfassen derartige verschleißfeste Materialien, die nied rigere Kosten haben, gesintertes Wolframkarbid oder Werkzeugstahl. Bevorzugte Qualitäten von gesintertem Wolframkarbid umfassen diejenigen Qualitäten, die ungefähr 0 bis 10 Gew.-% Bindemittel (z.B. Kobalt oder Kobalt/Nickel-Legierungen), und bevorzugter ungefähr 0 bis 3 Gew.-% Bindemittel enthalten. Beispielsweise sind ROCTEC 100 und ROCTEC 500 von Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvania 15650 erhältlich. Bevorzugte Stähle umfassen verschleißfeste Legierungs- oder Werkzeugstähle wie z.B. die Stahlqualitäten 4140, 4340, H13 und A8.
In der vorliegenden Erfindung ist daran gedacht, daß Materialien, die sich für die Mantelteile eignen, Stahl, Aluminium, Kunststoffe und weitere, dem Fachmann bekannte Materialien umfassen, die für eine derartige Verwendung angepaßt werden können. Vorzugsweise ist das Mantelmaterial ein starkes, nachgiebiges Material.
In der vorliegenden Erfindung ist daran gedacht, daß Materialien, die sich für die Zentrierkupplungen eignen, Metalle und Kunststoffe oder jegliche anderen geeigneten Materialien umfassen, die dem Fachmann als für einen solchen Einsatz anpaßbare Materialien bekannt sind. Vorzugsweise ist das Material ein nachgiebiges Material und am meisten bevorzugt ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
In der vorliegenden Erfindung ist in Betracht gezogen, daß das Abstandsmaterial ein Material wie z.B. ein Metall, ein Kunststoff oder eine Vergießmasse oder jedes andere Material sein kann, das dem Fachmann bekannt ist und in der Lage ist, das superharte Material oder andere verschleißfeste Teile, die den Einlaß und den Kern des AWJ-Mischrohrs umfassen, relativ zum Mantel in der Lage zu fixieren. Das Abstandsmaterial ist vorzugsweise ein Material, welches zwischen die Scheiben und den Mantel fließen kann und dann unter geringer Schrumpfung aushärten kann. Ein nichteinschränkendes Beispiel für ein derartiges Abstandsmaterial ist EP30 Epoxid, das von MasterBond Inc., 154 Hobart Street, Hackensack, New Jersey, USA, 07601 erhältlich ist.
In der vorliegenden Erfindung ist auch in Betracht gezogen, daß jegliche Art Dichtungsmaterial oder Dichtungsscheiben, die dem Fachmann bekannt sind, zwischen den Flächen von aneinandergrenzenden Scheiben aus superhartem Material verwendet werden können, um ihr Zusammenpassen zu verbessern oder um die Teile aus superhartem Material und verschleißfestem Material vor Beschädigung während des Einpreßvorgangs zu schützen. Dichtungsmaterial und Dichtscheiben dieser Art können alleine oder in Kombination mit anderen Dichtungsmaterialien bzw. -scheiben verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele für solche Dichtungsmaterialien umfassen Metalldichtungen. Ein nicht einschränkendes Beispiel für ein Material, das sich für solche Dichtscheiben eignet, ist Weichkupfer. Die Stärken des Dichtungsmaterials und der Scheiben liegen vorzugsweise bei nicht über ca. 0,005 Zoll(0,13 mm).
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch einen rohrförmigen, länglichen Körper aus superhartem Material und Verfahren zu dessen Herstellung, wobei der rohrförmige, längliche Körper aus superhartem Material wenigstens eine, durch Funkenerosion gebildete Bohrung hat, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des rohrförmigen, länglichen Körpers aus superhartem Material ist. Derartige rohrförmige, längliche Körper aus superhartem Material haben ein Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser von etwa 20 bis etwa 400. Die Länge eines solchen rohrförmigen, länglichen Körpers aus superhartem Material liegt bei mindestens etwa 0,24 Zoll (6 mm) und vorzugsweise bei ca. 1 Zoll (25 mm). Gleichermaßen beträgt die Bohrungslänge eines solchen rohrförmigen, länglichen Körpers wenigstens etwa 0,24 Zoll (6 mm) und vorzugsweise etwa 1 Zoll (25 mm). Der Bohrungsdurchmesser eines derartigen rohrförmigen, länglichen Körpers aus superhartem Material liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,005 bis etwa 0,19 Zoll (0,13 bis 4,8 mm) und bevorzugter im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,065 Zoll(0,25 bis 1,7 mm). Beispielsweise und mit Bezug auf 15 hat der rohrförmige, längliche Körper 400 aus superhartem Material eine Bohrungslänge 402 und einen Bohrungsdurchmesser 404. Der rohrförmige, längliche Körper 400 aus superhartem Material hat auch eine durch Funkenerosion gebildete Bohrung 406. Die Bohrung 406 ist im wesentlichen parallel zur Längsachse 408 des rohrförmigen, länglichen Körpers 400 aus superhartem Material.
Ein derartiges rohrförmiges, längliches superharte Material kann gebildet werden, indem man zuerst einen länglichen Körper aus superhartem Material bildet und dann wenigstens eine Bohrung darin durch Funkenerosionsbearbeitung bildet. Vorzugsweise wird der längliche Körper aus superhartem Material durch Funkenerosion aus einem massiven Flächenkörper oder einer massiven Scheibe aus PCD herausgeschnitten. Ein derartiger rohrförmiger, länglicher Körper aus superhartem Material kann in einem wie hierin beschriebenen Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl verwendet werden, oder kann in irgendeiner anderen Anwendung eingesetzt werden, wo ein hoch verschleißfester Durchgang bzw. Durchgang von Vorteil sein würde (z.B. Sandstrahl-, Schleifmittelstrahl- oder Wasserstrahldüsen; Farbdüsen; und Pulversprühdüsen wie z.B. Pulversprüh-Trockendüsen).
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Zylinder aus superhartem Material mit Längen von ca. 0,2 Zoll (5 mm) und darüber, und Durchmessern von etwa 0,2 Zoll (5 mm) und darunter, und entweder einen geraden Durchgang oder einen konischen Durchgang oder eine Kombination aus geradem Durchgang und konischem Durchgang, entlang ihrer Längsmittellinien und durch Funkenerosionsbearbeitung gebildet. Derartige Zylinder aus superhartem Material umfassen ein superhartes Material oder einen Verbundkörper aus einem superhartem Material, der mit einem anderen verschleißfesten Material verbunden ist. In dem Fall, wo ein Zylinder aus superhartem Material einen Verbundkörper umfaßt, besteht das verschleißfeste Material, das kein superhartes Material ist, vorzugsweise aus Wolframkarbid.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Zylinder aus superhartem Material, einen ersten superharten Zylinder 500 mit einem geraden Durchgang, einem ersten geraden Durchgang 502, ist in 16a gezeigt. Eine Ausführungsform für einen Zylinder aus superhartem Material, einen zweiten Zylinder 504 aus superhartem Material, mit einem konischen Abschnitt, einem ersten konischen Abschnitt 506, ist in 16b gezeigt. Eine Ausführungsform für einen Zylinder aus superhar tem Material, einen dritten Zylinder 508 aus superhartem Material, mit einer Kombination aus einem konischen Abschnitt, einem zweiten konischen Abschnitt 510, und einem geraden Abschnitt, einem zweiten geraden Abschnitt 512, ist in 16c gezeigt. Eine Ausführungsform für einen Zylinder aus superhartem Material, einen Verbundkörperzylinder 514, der aus einem Verbundkörper aus einem superhartem Material 516 und einem anderen verschleißfesten Material 518 besteht, mit einem konischen Abschnitt, einem dritten konischen Abschnitt 520, ist in 16d gezeigt. Der Verbundkörperzylinder 514 umfaßt vorzugsweise eine Ausnehmung 522 zur Aufnahme einer Schulter eines Mantels, wie z.B. der Schulter 234 des oberen Teilmantels, der am besten in 13 zu sehen ist.
Für den Fall, daß ein derartiger Zylinder aus superhartem Material einen geraden Durchgang, entweder alleine oder in Kombination mit einem konischen Durchgang enthält, beträgt das Aspektverhältnis von Zylinderlänge zu Durchmesser des Durchgangs vorzugsweise wenigstens 3 : 1, bevorzugter wenigstens 6 : 1, und am meisten bevorzugt wenigstens 10 : 1, da durch diese Aspektverhältnisse die Zylinder aus superhartem Material sich besonders für Anwendungen eignen, in denen ein abrasives Fluid befördert wird, beispielsweise und ohne einschränkend zu sein, als Teil von AWJ-Mischrohren.
Ein derartiger Zylinder aus superhartem Material läßt sich herstellen, indem zuerst ein zylindrischer Körper gebildet wird und dann durch Funkenerosionsbearbeitung der gewünschte Durchgang oder die gewünschte Kombination aus Durchgängen darin eingearbeitet wird. Vorzugsweise wird der zylindrische Körper durch Funkenerosion aus einem massiven Flächenkörper oder einer massiven Scheibe aus PCD herausgeschnitten. Ein derartiger Zylinder aus superhartem Material kann in einem wie hierin beschriebenen Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl verwendet werden oder kann in jeder anderen Anwendung zum Einsatz kommen, wo ein hoch verschleißfester Durchgang bzw. Kanal von Vorteil sein würde (z.B. Sandstrahl-, Schleifmittelstrahl- oder Wasserstrahldüsen; Farbdüsen; und Pulverstrahldüsen wie Pulverstrahl-Trockendüsen).

Claims

Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl, mit einem in Längsrichtung verlaufenden Strömungsdurchgang, bei dem wenigstens ein Teil des Strömungsdurchgangs eine Auskleidung hat, die einen gesinterten einstöckigen Körper aufweist, der polykristallinen Diamant oder polykristallines Bornitrid umfaßt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 1, darüber hinaus ein widerstandsfähiges Material umfassend, das den gesinterten einstöckigen Körper im wesentlichen entlang der Länge des Mischrohrs umgibt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 2, bei dem das widerstandsfähige Material einen Stahl umfaßt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 2, bei dem das widerstandsfähige Material ein gesintertes Wolframcarbid umfaßt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 1, darüber hinaus mit einem sich verjüngenden Einlaß, der in die Längsbohrung mündet, wobei der Einlaß eine durch Dampfabscheidung abgeschiedene Hartstoffbeschichtung auf einer Oberfläche des sich verjüngenden Einlasses aufweist.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 1, bei dem der Strömungsdurchgang eine durch Funkenerosionsbearbeitung gebildete Bohrung umfaßt, wobei die Bohrung im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des gesinterten einstöckigen Körpers ist und einen Durchmesser hat, und bei dem das Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser im Bereich von 20 bis 400 liegt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 5, bei dem die durch Abscheidung abgeschiedene Beschichtung aus der aus Diamant, Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Aluminiumoxid und deren Kombinationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 1, bei dem der gesinterte einstöckige Körper polykristallinen Diamant umfaßt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 1 oder 8, bei dem der Strömungsdurchgang durch Funkenerosionsbearbeitung gebildet ist; der gesinterte einstöckige Körper eine Dicke von wenigstens 0,005 Zoll (0,13 mm) hat.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 7, bei dem das Mischrohr mehrere Bestandteile umfaßt; bei dem jedes der mehreren Bestandteile einen Abschnitt des Strömungsdurchgangs umfaßt.
Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl nach Anspruch 10, bei dem wenigstens eines der Bestandteile darüber hinaus einen Mantel und ein Abstandsmaterial umfaßt, und zwischen dem Mantel und wenigstens einem der verschleißfesten Materialteile.
Verfahren zur Herstellung eines Mischrohres für einen abrasiven Wasserstrahl, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: a) Bereitstellung wenigstens eines gesinterten einstöckigen Körpers aus superhartem Material; und b) Einarbeiten einer Längsbohrung durch den wenigstens einen gesinterten Körper aus superhartem Material durch Funkenerosion.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der wenigstens eine gesinterte Körper aus superhartem Material ein erstes Ende hat, wobei das Verfahren darüber hinaus den Schritt umfaßt, in das erste Ende des wenigstens einen gesinterten Körpers aus superhartem Material einen sich verjüngenden Einlaß durch Funkenerosion einzuarbeiten.
Verfahren nach Anspruch 13, darüber hinaus den Schritt umfassend, auf einer Oberfläche des sich verjüngenden Einlasses eine Hartstoffbeschichtung durch Dampfabscheidung abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 14, darüber hinaus den Schritt umfassend, die Hartstoffbeschichtung aus der aus Diamant, Titannitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Aluminiumoxid und deren Kombinationen bestehenden Gruppe auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der gesinterte Körper aus superhartem Material polykristallinen Diamant umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 16, darüber hinaus folgenden Schritt umfassend: Umgeben des wenigstens einen gesinterten Körpers aus superhartem Material mit einem widerstandsfähigen Material, um einen Rohling für ein Mischrohr für einen abrasiven Wasserstrahl zu bilden, der einen Kern aus superhartem Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der wenigstens eine gesinterte Körper aus superhartem Material aus mehreren einzelnen gesinterten Körpern aus superhartem Material besteht, wobei jeder der einzelnen gesinterten Körper aus superhartem Material eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche aufweist, so daß die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Fläche die Länge des einzelnen gesinterten Körpers aus superhartem Material aufweist, wobei das Verfahren darüber hinaus den Schritt umfaßt, wenigstens eine der ersten und zweiten Stirnflächen eines jeden einzelnen gesinterten Körpers aus superhartem Material in Anlage an eine erste oder zweite Stirnfläche eines anderen einzelnen gesinterten Körpers aus superhartem Material zu bringen, so daß die mehreren einzelnen gesinterten Körper aus superhartem Material zusammen einen Kern aus superhartem Material für den Rohling des Mischrohrs für den abrasiven Wasserstrahl bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das widerstandsfähige Material ein gesintertes Wolframcarbid umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Längsbohrung eine Auskleidung für den gesinterten Körper aus superhartem Material mit einer Dicke von wenigstens etwa 0,005 Zoll (0,13 mm) hat.