CN105196184A

CN105196184A - 一种高压水射流切割装置及控制方法

Info

Publication number: CN105196184A
Application number: CN201510531579.9A
Authority: CN
Inventors: 王岩; 王从东; 谢淮北; 苗思忠; 蒋泓; 胡雅琳; 张洋凯
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin Fenlei Coal Preparation Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: CN105196184B

Abstract

本发明公开了一种高压水射流切割装置及控制方法，包括移动机构，带动切割喷嘴沿X、Y轴方向移动；切割机构，包括高压水泵、储料罐及喷嘴；喷嘴，其与第二移动滑块固定连接，所述喷嘴通过管道与水泵连接；储料罐，其上设置有水和砂料添加通路，所述储料罐通过管道与水泵连接；高压水泵，其能够提供80～400MPa水压，所述水泵通过管道分别与喷嘴和储料罐连接；机架，其内容置空间安装有水槽，所述机架的上表面承载移动机构；控制器，其与移动机构、切割机构连接。高压水射流切割装置的喷头沿二维方向移动，可沿平面切割材料，并根据切割材料的厚度、硬度等特性，自动控制水射流的压力为最小压力，节约能源。

Description

一种高压水射流切割装置及控制方法

技术领域

本发明高压水射流领域。更具体地说，本发明涉及高压水射流切割装置及控制方法。

背景技术

高压磨料水射流切割，也称为水刀，是利用水射流技术和高速磨削技术发展起来的一项新技术。其原理是:将水加压，使水有了巨大的压力能，送至孔径很小的喷嘴中，以两倍于音速的高速度喷出，形成对可以穿透化纤、木材、皮革、橡胶等的切割作用，在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等这个切割作用由三种力完成：固体磨料的冲蚀作用、带磨料的水对工件的剪切作用、磨料对工件表面的微加工作用。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种高压水射流切割装置，根据切割材料的厚度、硬度等特性，保证穿透切割材料的情况下，将自动控制水射流的压力为最小压力，节约能源。

本发明还有一个目的是提供一种高压水射流切割装置，能够将砂料与水均匀混合，保证切割的均匀性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高压水射流切割装置，包括：

移动机构，其上龙门架结构能够沿第一滑槽在Y轴方向移动；其中，龙门架的横梁上安装有第二滑槽，第二移动滑块可沿第二滑槽在X轴方向移动；

切割机构，包括高压水泵、储料罐及喷嘴；

喷嘴，其与第二移动滑块固定连接，所述喷嘴通过管道与水泵连接；

储料罐，其上设置有水和砂料添加通路，所述储料罐通过管道与水泵连接；

高压水泵，其能够提供80～400MPa水压，所述水泵通过管道分别与喷嘴和储料罐连接；

机架，其内容置空间安装有水槽，所述机架的上表面承载移动机构；

控制器，其与移动机构、切割机构连接，所述控制器控制龙门架沿X、Y轴移动并控制水泵的水压和开启。

优选的是，其中所述喷嘴采用硬质合金、蓝宝石或红宝石材质。

优选的是，其中所述喷嘴的内径在0.1～0.35mm之间。

优选的是，其中所述储料罐顶部安装搅拌桨。

优选的是，其中所述机架长度与龙门架的第一滑轨长度相匹配，其宽度与龙门架第二滑轨长度相匹配。

优选的是，其中所述喷嘴与水泵连接的管道为高压软管。

本发明还提供一种高压水射流切割装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将切割材料的厚度a、硬度H、砂料粒径d通过输入界面输入控制器；

步骤二：控制器根据材料的厚度a调整砂料与水的质量比m_s/m；

步骤二：控制器根据利用如下公式计算水压力P：

P = A \times d^{- 1} \times a \times H^{\frac{m_{s}}{m}}

其中，P为喷嘴喷出的水压力，单位为MPa；d为砂料的粒径，单位为mm；a为切割材料的厚度，单位为mm；H为切割材料的洛氏硬度；m_s/m为砂料与水的质量比，m_s为砂料的质量，m为水的质量，单位为kg；A为常数，其取值为1.233MPa；

步骤三：根据砂料的粒径d选择喷嘴的内径；

步骤四：开启水泵，控制器控制水泵的输出的水压p，并开启搅拌桨搅拌将砂料与水混合均匀后开始切割；

步骤五：控制器控制喷嘴根据切割材料的形状沿X、Y轴移动进行切割。

优选的是，其中所述喷嘴的内径为粒径d的2-5倍。

优选的是，其中所述喷嘴的内径为粒径d的3倍。

本发明至少包括以下有益效果：1、高压水射流切割装置根据切割材料的厚度、硬度等特性，保证穿透切割材料的情况下，将自动控制水射流的压力为最小压力，节约能源。2、通过搅拌桨将砂料与水均匀混合，保证切割的均匀性。3、切割喷头可沿二维方向自由移动，可很好的沿平面切割材料。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的一种高压水射流切割装置的结构示意图.

图2是本发明的储水箱的搅拌桨的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，一种高压水射流切割装置包括机架110、移动机构、切割机构和控制器140。

机架110包括滚柱111和水槽112，机架110为长方体架构，其内部容置空间安装水槽112，水槽的左、右侧面靠近上表面安装滚柱111，滚柱111用于承载切割材料。其中，机架110的长度方向定义为Y轴方向，机架的宽度方向定义为X轴方向。

移动机构包括龙门架横梁121、龙门架基座122、第一滑槽123、第一移动滑块124、第一电机125、第二滑槽126、第二移动滑块127、第二电机128。

龙门架横梁121为长方体金属材质，其与机架110的宽边平行设置，并且其长度与机架110的宽边长度相匹配；龙门架横梁121的前面与第二滑槽126固定连接。

龙门架基座122，其安装在龙门架横梁121长度方向的两边，起到龙门架横梁121的作用；龙门架基座122的底面与第一移动滑块124连接。

第一滑槽123为凹字形滑槽，其长度与机架110的长度相同，其底面为平面，上部有两个相互平行的突出部，两个突出部中间为一定宽度的凹陷部；第一滑槽123的底面与机架110上表面固定连接，即固定安装在机架110上表面的长度方向的两侧，与Y轴平行。

第一移动滑块124底面为平面，上表面安装有两条相互平行的凹字形滑槽，滑槽的凹陷部宽度与第一滑槽123的突出部相匹配。第一移动滑块124的两个凹字形滑槽分别于第一滑槽123的两个突出部相配合，实现第一移动滑块124沿第一滑槽123的长度方向滑动，第一移动滑块124底面与龙门架基座122底面固定连接。

第一电机125安装在第一移动滑块124侧面，能够驱动第一移动滑块124沿第一滑槽123滑动。第一电机125带动第一移动滑块124沿第一滑槽123在Y轴方向上滑动。

两套由第一滑槽123与第一移动滑块124和第一电机125连接构成的滑动部分别对称安装在机架110上表面，第一电机125驱动第一移动滑块124沿第一滑槽123在Y轴方向上滑动，即带动与第一移动滑块124相连接的龙门架基座122移动，从而带动与龙门架基座122连接的龙门架横梁121沿Y轴方向移动。

第二滑槽126为凹字形滑槽，其长度与横梁的长度相同，其底面为平面，上部有两个相互平行的突出部，两个突出部中间为一定宽度的凹陷部；第二滑槽126的底面固定在龙门架横梁121的前侧面。

第二移动滑块127底面为平面，上表面安装有两条相互平行的凹字形滑槽，滑槽的凹陷部宽度与第二滑槽的突出部相匹配。第二移动滑块127的两个凹字形滑槽分别于第二滑槽126的两个突出部相契合，能够实现第二移动滑块127沿第二滑槽126的长度方向滑动，即第二移动滑块127沿X轴方向移动。

第二电机128安装在第二移动滑块127的侧面，能够驱动第二移动滑块127沿第二滑槽126滑动。第二电机128带动第二移动滑块127沿第二滑槽126在X轴方向上滑动，即实现龙门架横梁121上的第二移动滑块127沿X轴方向上滑动。

工作时，第一电机125驱动第一移动滑块124沿第一滑槽123在Y轴方向上滑动，即带动龙门架横梁121沿Y轴方向移动，第二电机128驱动第二移动滑块127沿第二滑槽126在X轴方向上滑动。此时第二移动滑块127能够由第一电机125和第二电机带动沿X、Y方向移动。

切割机构包括高压水泵131、储水箱132和喷嘴133。

高压水泵132通过高压软管与储水箱132和喷嘴133连接，将储水箱132的水与砂料的混合物加压后输送给喷嘴133。

储水箱132容量为1吨，其上安装有加水和砂料的通道，上部安装有搅拌桨，将砂料与水混合均匀，搅拌桨的结构详见图2。

喷嘴133采用硬质合金、蓝宝石或红宝石材质，其内径在0.1～0.35mm之间，其固定在第二移动滑块127的底面。

控制器140固定安装在机架110的侧面，输入待切割材料的厚度、材质及切割路径等参数，其控制第一电机125和第二电机128，从而带动喷嘴133沿切割路径移动；控制器140还控制高压水泵131的压力。

工作时，将待切割材料放置在机架110的滚柱111上，在控制器140输入界面输入待切割材料的厚度、材质及切割路径等参数，计算高压水泵131的压力。开启高压水泵131将储水箱132中水与砂料的混合物输送至喷嘴133，控制器140控制第二电机128，第二电机128驱动第二移动滑块127沿第二滑槽126滑动，从而控制喷嘴133沿X轴方向移动速度；控制器140控制第一电机125第一电机125驱动第一移动滑块124沿第一滑槽123滑动，从而带动龙门架横梁121沿第一滑槽123滑动，近一步控制横梁上的喷嘴133沿Y轴方向的移动速度，从而实现喷嘴133沿X、Y轴方向移动，喷嘴133射射的高压水和砂料混合物切割材料，切割后的水和砂料进入水槽112储存，砂料经分离后可重复利用。

一种高压水射流切割装置的控制方法，通过控制器控制切割路径及切割时喷嘴喷射的压力，其具体步骤为

步骤一：将切割材料的厚度a、硬度H、砂料粒径d输入控制器140输入界面；

步骤二：控制器140根据材料的厚度a调整砂料与水的质量比m_s/m，作为一种优选，当厚度在5＜a＜15之间，m_s/m的取值范围为0.03-0.06；当厚度15≤a＜25之间，m_s/m的取值范围为0.06-0.09；当厚度在25≤a＜35之间，m_s/m的取值范围为0.09-0.12；当厚度a≥35，m_s/m的取值范围为在0.09-0.18之间。

步骤三：控制器140根据利用如下公式计算水压力P：

P = A \times d^{- 1} \times a \times H^{\frac{m_{s}}{m}}

步骤四：根据砂料的粒径d选择喷嘴的内径；

步骤五：开启高压水泵131，控制器140控制高压水泵131的输出的水压p，并开启搅拌桨搅拌将砂料与水混合均匀后开始切割；

步骤六：控制器140控制喷嘴133根据切割材料的形状沿X、Y轴移动进行切割。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种高压水射流切割装置，其特征在于，包括：

切割机构，包括高压水泵、储料罐及喷嘴，所述切割机构产生高压水射流用于切割材料；

2.如权利要求1所述的高压水射流切割装置，其特征在于，所述喷嘴采用硬质合金、蓝宝石或红宝石材质。

3.如权利要求2所述的高压水射流切割装置，其特征在于，所述喷嘴的内径在0.1～0.35mm之间。

4.如权利要求1所述的高压水射流切割装置，其特征在于，所述储料罐顶部安装搅拌桨。

5.如权利要求1所述的高压水射流切割装置，其特征在于，所述机架长度与龙门架的第一滑槽长度相匹配，其宽度与龙门架第二滑槽长度相匹配。

6.如权利要求1所述的高压水射流切割装置，其特征在于，所述喷嘴与水泵连接的管道为高压软管。

7.一种高压水射流切割装置的控制方法，使用如权利要求1-4中任一项所述的高压水射流切割装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取切割材料的厚度a、硬度H、砂料粒径d；

步骤三：控制器根据利用如下公式计算水压力P：

P = A \times d^{- 1} \times a \times H^{\frac{m_{s}}{m}}

步骤四：根据砂料的粒径d选择喷嘴的内径；

步骤五：开启高压水泵，控制器控制高压水泵的输出的水压p，并开启搅拌桨搅拌将砂料与水混合均匀后开始切割；

步骤六：控制器控制喷嘴根据切割材料的形状沿X、Y轴移动进行切割。

8.如权利要求7所述的高压水射流切割装置的控制方法，其特征在于，所述喷嘴的内径为粒径d的2-5倍。

9.如权利要求8所述的高压水射流切割装置的控制方法，其特征在于，所述喷嘴的内径为粒径d的3倍。