La présente invention a trait à un dispositif pour la production d'un jet découpant liquide.
L'utilisation de jets liquides de petit diamètre et haute pression pour couper des matériaux tels que tissus, bois, métaux etc., et pour des applications telles que confection de pièces a été proposée dans les brevets américains nos 2 985 050; 3 212 378 et 3 526 162 et leur efficacité a été démontrée pratiquement. Cette approche offre de nombreux avantages séduisants par rapport aux procédés de coupe conventionnels, tels que facilité d'automatisation, avec le résultat d'un gain potentiel en productivité, pertes réduites aux traits de scie, simple coupe par points, coupe à haute vitesse, et autres avantages.
Néanmoins, ces systèmes doivent convertir un liquide, généralement de l'eau, avec ou sans abrasif ou autres additifs, à des pressions extrêmement élevées, allant de 1050 kg/cm2 à 7030 kg/cm2, ou même plus élevées, limitées seulement par l'équipement de pompage, en un jet liquide, afin de pouvoir réaliser la fonction de coupe. De plus, ce jet liquide doit être de diamètre relativement petit, de l'ordre de 0,05 à 0,06 mm pour réduire les charges des pompes et produire la coupure très étroite et fine désirée. Le jet doit également être cohérent , c'est-à-dire les jets égarés doivent être éliminés au maximum, afin de concentrer efficacement l'énergie dans le jet, de produire cette coupure fine, et de réduire au minimum l'énergie nécessaire.
De plus, ce système doit, pour être approprié aux applications industrielles, être capable de travailler continuellement durant des périodes relativement longues, sans entretien excessif.
Ces écigences ont jusqu'à présent empêché l'application industrielle d'un tel dispositif découpant à jet liquide, vu que, à part d'autres difficultés, aucun ajutage n'a été réalisé qui puisse produire un jet suffisamment cohérent durant des durées pratiques et à un prix acceptable.
Les ajutages connus et utilisés dans d'autres applications de jets liquides, telle que l'exploitation de gisements, n'ont pas été convenables, car dans ces applications:
(a) le jet liquide est utilisé soit à des pressions bien plus
basses, soit d'une manière intermittente,
(b) le degré d'écoulement du liquide et, par conséquent, les
diamètres des ajutages sont beaucoup trop grands et les
vitesses du liquide trop petites, ce qui réduit considéra
blement le degré d'érosion du jet et les effets fâcheux
d'une géométrie incorrecte, due à l'érosion ou à des
erreurs de fabrication de la pièce garantissant la cohé
rence du jet,
(c) le plus important est que cette application n'exige pas de
jet cohérent, car une coupure fine n'est pas exigée ou de
peu d'importance.
En effet, dans aucune autre application, on ne pose les exigences combinées d'une géométrie correcte de l'ajutage, maintenable durant de longues périodes sous haute pression et réalisable à un prix raisonnable. Ainsi, les efforts antérieurs ont été dirigés vers de nombreuses variations de la géométrie et des matériaux de l'ajutage, tels que l'acier à outils, les céramiques frittées, les matières plastiques et le diamant. Tous, sauf le diamant, sont rapidement érodés à une valeur telle que la cohérence du jet est perdue, due à la défiguration de la géométrie de l'ajutage et/ou à l'abaissement de la pression, dû à l'élargissement de l'ajutage. L'utilisation du diamant a été jugée peu pratique, vu le prix élevé du matériel et de l'usinage, et la difficulté à obtenir les géométries exigées de l'ajutage.
L'oxyde d'aluminium et le carbure de tungstène frittés ont également été essayés sans succès, vu les difficultés d'obtenir les finissages des surfaces nécessaires pour garantir l'efficacité, la cohérence et un degré minimum d'érosion. Ces matériaux n'ont pas non plus rempli les exigences d'érosion, vu le manque de liens tenant ensemble les particules.
De même, à cause des exigences d'un orifice de petite dimension, d'un jet cohérent, bon marché à la fabrication, des tolérances étroites de la configuration de l'ajutage, des finissages fins des surfaces et du besoin d'utiliser un matériel très dur et solide pour combattre l'érosion, il est très difficile d'obtenir une géométrie acceptable de l'ajutage. La plupart de ces configurations qui produiraient un jet cohérent sous les conditions d'écoulement exigées impliquent soit des sections courbes, soit longues, très finement effilées, deux exécutions qui ne sont pas faisables sur une machine de production pour les matériaux très durs et solides exigés pour les ajutages.
C'est le but de la présente invention de réaliser un ajutage pour la production d'un jet découpant liquide produisant un jet liquide d'une pression de 1050 kg/cm2 ou plus et utilisable continuellement durant une période relativement longue, et d'un prix de revient bas.
Selon l'invention, ce but est atteint par un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'ajutage composé d'un cristal de corindon ayant un orifice, et des moyens pour diriger un liquide sous une pression de 1050 kg/cm2 ou plus à travers ledit orifice formé dans ledit cristal de corindon, d'où un jet de très haute pression est formé par ledit liquide débouchant dudit orifice.
L'invention sera décrite en se référant au dessin annexé, dans lequel
la fig. 1 est une représentation schématique d'un dispositif découpant à jet liquide selon la présente invention,
la fig. 2 est une vue partielle d'une section transversale de l'ajutage assemblé, représenté en fig. 1, et
la fig. 3 est une représentation détaillée de la géométrie de l'ajutage selon la présente invention.
Ci-après on décrit une exécution particulière et utilise une certaine terminologie pour des raisons de compréhension, mais il est évident qu'elle est uniquement illustrative, et que l'inven- tion peut être utilisée dans une variété de formes et exécutions.
En se référant au dessin et en particulier à la fig. 1, un dispositif découpant à jet liquide 10 est représenté schématiquement. Ce dispositif inclut une source 12 d'un liquide, de préférence de l'eau, sous pression. La source est connectée à un amplificateur à haute pression 14, pour augmenter la pression du liquide jusqu'aux hautes pressions nécessaires pour le coupage de matériaux. Ces pressions varient entre 1050 et plus que 7030 kg/cm2, dont les plus utiles sont celles excédant 2110 kg/cm2.
Actuellement, la méthode d'obtention de telles pressions excédant 2110 kg/cm2 utilise un amplificateur à piston à double action, tel qu'il est décrit dans le brevet américain no 2 592 940 et offert dans le commerce.
Avec ces pompes à haute pression, il est possible d'obtenir constamment un liquide sous une pression supérieure à 2110 kg/cm2. Le liquide qui est soumis à ces hautes pressions est ensuite transmis à un ensemble d'ajutage 16 par un tuyau 15, dont le premier produit le jet de haute pression 18 qui exécute le coupage de la pièce 20, placée de telle manière qu'elle puisse être coupée par le jet.
Après que le jet a traversé la pièce 20, il peut être recueilli dans un collecteur 22 situé en-dessous de la pièce 20.
Selon la fig. 2, l'ensemble d'ajutage 16 est représenté en coupe partielle avec plus de détails. L'ensemble inclut un orifice d'ajutage 24, pressé dans un alésage 26 d'une pièce insérée 28 en cuivre. Cette pièce est mise en place à la fin du tuyau 15 par un couvercle 30 vissé sur le taraudage du tuyau, servant à assurer par déformation du métal l'étanchéité entre la pièce 28 et le tuyau 15. Alternativement, il serait possible d'utiliser des joints d'étanchéité à haute pression.
L'orifice de l'ajutage 24 est fait d'une seule pièce en cristal de corindon (AL203) tel que le saphir ou le rubis. Il a été trouvé que ce matériau remplit toutes les exigences décrites.
Son prix de revient est bas, car des formes synthétiques sont sur le marché, et comme de tels genres de cristaux présentant des ouvertures centrales ont commercialement été utilisés pour des orifices de précision pour basses pressions, on peut les obtenir en grandes quantités à des prix avantageux, avec ou sans trous centraux.
Par rapport au diamant, le corindon se laisse assez bien travailler, car il peut être fraisé par le diamant ou des outils recouverts d'oxyde d'aluminium, ce qui permet d'obtenir une variété de formes et des surfaces très fines.
Le fait le plus important est cependant que ce matériau a fait la preuve qu'il est très résistant à l'érosion due au jet liquide sous haute pression. On a trouvé des orifices de ce genre, résistant durant des heures à des pressions allant de 3520 à 5620 kg/cm2.
La fig. 3 montre les détails de la géométrie de l'orifice de l'ajutage 24. Cette géométrie inclut une partie d'entrée conique convergente 32, dont les parois droites forment un angle e. Cette partie 32 émerge dans une partie de sortie cylindrique à parois droites 34 d'un diamètre D et d'une longueur L. La géométrie est choisie de sorte que les prolongations des bords de la partie convergente 32 ne se croisent pas avec les parois de la partie de sortie 34. Ces prolongations seront tangentielles au point A, ou passeront par le diamètre de la partie 34.
Mathématiquement ceci s'écrit de la manière suivante:
EMI2.1
le rapport L/D étant égal ou supérieur à 1.
On a trouvé que cette configuration crée un jet liquide
cohérent aux pressions exigées et dans la gamme de diamètres
D du jet utilisé pour couper, sans que des parties courbes ou longues de l'ajutage doivent être incorporées. L'angle # du
cône 32 sera en général supérieur à 30 , ce qui réduit au
minimum le prix de fabrication. Le diamètre D se situe en
général entre 0,05 et 0,5 mm, 0,2 mm étant typique.
Dans une exécution particulière, l'orifice de l'ajutage a été
fait d'un saphir de 2,04 mm de diamètre, avec un cône e de
600, L étant de 0,255 mm et le diamètre D de l'orifice de
0,2 mm. Une grande importance a été attribuée à la symétrie
et la concentricité de l'ajutage par rapport à la direction du jet,
et les diamètres des ajutages, mesurés perpendiculairement à l'axe du jet liquide, étaient inférieurs à 0,0127 mm. Toutes les
surfaces internes ont été parfaitement polies. Cette forme d'exécution remplit toutes les exigences, bien qu'il n'existe aucune théorie expliquant pourquoi un jet cohérent est produit.
Comme noté plus haut, cette géométrie remplit également la condition d'une fabrication à bon marché, car elle ne comprend ni parties longues, ni parties courbes, telles qu'elles étaient utilisées dans les ajutages antérieurs.
Les orifices offerts dans le commerce correspondent à peu près à la forme d'exécution, car ils peuvent facilement être polis finement et dans les dimensions précitées, avec des techniques connues et un équipement conventionnel. Il est à noter que l'épaule 36 sera de préférence un petit peu arrondie pour éviter un changement brusque de la géométrie.
The present invention relates to a device for producing a liquid cutting jet.
The use of small diameter, high pressure liquid jets for cutting materials such as fabrics, wood, metals etc., and for applications such as part making has been proposed in US Patents 2,985,050; 3,212,378 and 3,526,162 and their effectiveness has been demonstrated in practice. This approach offers many attractive advantages over conventional cutting processes, such as ease of automation, with the result of a potential gain in productivity, reduced losses at kerfs, simple point cutting, high speed cutting, and other benefits.
Nevertheless, these systems must convert a liquid, usually water, with or without abrasives or other additives, at extremely high pressures, ranging from 1050 kg / cm2 to 7030 kg / cm2, or even higher, limited only by l. pumping equipment, in a liquid jet, in order to be able to perform the cutting function. In addition, this liquid jet must be of relatively small diameter, on the order of 0.05 to 0.06 mm, to reduce pump loads and produce the desired very narrow and fine cutoff. The jet must also be consistent, that is, stray jets must be eliminated as much as possible, in order to efficiently concentrate the energy in the jet, to produce this fine cut, and to minimize the energy required.
In addition, this system must, to be suitable for industrial applications, be able to operate continuously for relatively long periods without excessive maintenance.
These requirements have heretofore prevented the industrial application of such a liquid jet cutting device, as, apart from other difficulties, no nozzle has been made which can produce a sufficiently coherent jet for practical times. and at an acceptable price.
The nozzles known and used in other liquid jet applications, such as the exploitation of deposits, have not been suitable, because in these applications:
(a) the liquid jet is used either at pressures much higher
low, either intermittently,
(b) the degree of flow of the liquid and, therefore, the
diameters of the nozzles are much too large and the
liquid velocities too low, which considerably reduces
the degree of erosion of the jet and the unfortunate effects
incorrect geometry, due to erosion or
manufacturing errors of the part guaranteeing cohe
rence of the jet,
(c) the most important is that this application does not require
consistent pattern, as a fine cut is not required or
little importance.
Indeed, in no other application are the combined requirements of a correct geometry of the nozzle, maintainable for long periods under high pressure and achievable at a reasonable price. Thus, previous efforts have been directed towards many variations in the geometry and materials of the nozzle, such as tool steel, sintered ceramics, plastics, and diamond. All except the diamond are quickly eroded to such an extent that the consistency of the jet is lost, due to disfigurement of the geometry of the nozzle and / or lowering of the pressure, due to the enlargement of the nozzle. 'nozzle. The use of diamond was found to be impractical, given the high cost of the material and the machining, and the difficulty in obtaining the required nozzle geometries.
Sintered aluminum oxide and tungsten carbide have also been tried without success, due to the difficulties of obtaining the surface finishes necessary to ensure efficiency, consistency and a minimum degree of erosion. These materials also did not meet the erosion requirements, due to the lack of bonds holding the particles together.
Likewise, because of the requirements of a small orifice size, consistent spray pattern, inexpensive to manufacture, tight tolerances in nozzle configuration, fine surface finishes and the need to use a very hard and solid material to fight erosion, it is very difficult to obtain an acceptable geometry of the nozzle. Most of those setups that would produce a consistent spray under the flow conditions required involve either curved sections or long, very finely tapered, two executions that are not feasible on a production machine for the very hard and solid materials required. for nozzles.
It is the object of the present invention to provide a nozzle for producing a liquid cutting jet producing a liquid jet having a pressure of 1050 kg / cm2 or more and continuously usable for a relatively long period of time, and low cost price.
According to the invention, this object is achieved by a device characterized in that it comprises a nozzle element composed of a corundum crystal having an orifice, and means for directing a liquid under a pressure of 1050 kg / cm2 or more through said orifice formed in said corundum crystal, whereby a very high pressure jet is formed by said liquid emerging from said orifice.
The invention will be described with reference to the accompanying drawing, in which
fig. 1 is a schematic representation of a liquid jet cutting device according to the present invention,
fig. 2 is a partial view of a cross section of the assembled nozzle, shown in FIG. 1, and
fig. 3 is a detailed representation of the geometry of the nozzle according to the present invention.
Hereinafter a particular embodiment is described and certain terminology is used for the sake of understanding, but it is obvious that it is illustrative only, and the invention can be used in a variety of forms and embodiments.
With reference to the drawing and in particular to FIG. 1, a liquid jet cutting device 10 is shown schematically. This device includes a source 12 of a liquid, preferably water, under pressure. The source is connected to a high pressure amplifier 14, to increase the pressure of the liquid to the high pressures necessary for cutting materials. These pressures vary between 1050 and more than 7030 kg / cm2, the most useful of which are those exceeding 2110 kg / cm2.
Currently, the method of obtaining such pressures in excess of 2110 kg / cm2 uses a double-acting piston amplifier, as described in US Patent No. 2,592,940 and available commercially.
With these high pressure pumps, it is possible to constantly obtain a liquid under a pressure greater than 2110 kg / cm2. The liquid which is subjected to these high pressures is then transmitted to a nozzle assembly 16 by a pipe 15, the first of which produces the high pressure jet 18 which performs the cutting of the part 20, placed in such a way that it can be cut by the jet.
After the jet has passed through room 20, it can be collected in a manifold 22 located below room 20.
According to fig. 2, the nozzle assembly 16 is shown in partial section in greater detail. The assembly includes a nozzle orifice 24, pressed into a bore 26 of an insert 28 of copper. This part is placed at the end of the pipe 15 by a cover 30 screwed onto the thread of the pipe, serving to ensure by deformation of the metal the seal between the part 28 and the pipe 15. Alternatively, it would be possible to use high pressure seals.
The orifice of the nozzle 24 is made in one piece of corundum crystal (AL203) such as sapphire or ruby. This material has been found to meet all the requirements described.
Its cost is low, as synthetic forms are on the market, and since such kinds of crystals having central openings have been commercially used for precision orifices for low pressures, they can be obtained in large quantities at low prices. advantageous, with or without central holes.
Compared to diamond, corundum is quite easy to work with, as it can be milled by diamond or tools coated with aluminum oxide, resulting in a variety of shapes and very fine surfaces.
The most important fact, however, is that this material has been shown to be very resistant to erosion due to high pressure liquid jet. Orifices of this type have been found to withstand pressures ranging from 3520 to 5620 kg / cm2 for hours.
Fig. 3 shows the details of the geometry of the orifice of the nozzle 24. This geometry includes a converging conical inlet portion 32, the straight walls of which form an angle e. This part 32 emerges in a straight-walled cylindrical outlet part 34 of diameter D and length L. The geometry is chosen so that the extensions of the edges of the converging part 32 do not intersect with the walls of the exit part 34. These extensions will be tangential to point A, or will pass through the diameter of part 34.
Mathematically this is written as follows:
EMI2.1
the L / D ratio being equal to or greater than 1.
It has been found that this configuration creates a liquid jet
consistent at required pressures and across the range of diameters
D of the jet used for cutting, without curved or long parts of the nozzle having to be incorporated. The angle # of
cone 32 will generally be greater than 30, which reduces
minimum the manufacturing price. The diameter D is in
generally between 0.05 and 0.5mm, 0.2mm being typical.
In a particular embodiment, the orifice of the nozzle has been
made of a sapphire of 2.04 mm in diameter, with an e cone of
600, L being 0.255 mm and the diameter D of the orifice of
0.2 mm. Great importance has been attributed to symmetry
and the concentricity of the nozzle with respect to the direction of the jet,
and the diameters of the nozzles, measured perpendicular to the axis of the liquid jet, were less than 0.0127 mm. All the
internal surfaces have been perfectly polished. This embodiment fulfills all the requirements, although there is no theory as to why a consistent jet is produced.
As noted above, this geometry also fulfills the condition of inexpensive manufacture, since it does not include either long parts or curved parts, such as they were used in the previous nozzles.
The commercially available orifices roughly correspond to the embodiment, as they can easily be finely polished and in the above dimensions, with known techniques and conventional equipment. It should be noted that the shoulder 36 will preferably be a little rounded to avoid a sudden change in geometry.