CN106102998A

CN106102998A - 高压水射流切割头系统、组件及相关方法

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Publication number: CN106102998A
Application number: CN201480077171.2A
Authority: CN
Inventors: 穆罕默德·A·哈什希; 史蒂文·J·克里根; 布鲁斯·M·舒曼
Original assignee: Flow International Corp
Current assignee: Flow International Corp
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: CN106102998B; EP3094448A1; WO2015108692A1; US9884406B2; US20150196989A1; KR102283979B1; KR20160110413A; EP3094448B1; US10589400B2; MY182381A; US20180099378A1

Abstract

本发明提供一种水射流切割头组件(12)，其包括产生高压水射流的孔口单元(14)，喷嘴主体(16)和连接到喷嘴主体(16)的喷嘴部件(20)，孔口单元(14)位于其间。喷嘴部件(20)可以包括水射流通道(44)，至少一个水射流变换通道(50)和至少一个环境控制通道(60)。射流变换通道(50)可以与水射流通道(44)相交，通过加入辅助流体或磨料介质或应用真空，以能够在操作过程中选择性改变水射流。环境控制通道(60)可以包括一个或多个下游部分(62)，相对于流体射流通道(36)对准，从而使气体在操作过程中穿过环境控制通道(60)，引导到撞击在工件的暴露表面上或邻近水射流切割工件的位置。本发明还提供了其它的高压水射流切割系统、组件及相关方法。

Description

高压水射流切割头系统、组件及相关方法

背景

技术领域

本专利涉及高压水射流切割系统、其部件及相关方法，以及尤其涉及高压水射流切割头的喷嘴部件及相关方法，它们非常适合使用纯水射流或磨料水射流以高精度方式切割工件。

背景技术的描述

水射流或磨料水射流系统用于切割各种材料，包括石料、玻璃、陶瓷和金属。典型的水射流系统，高压水流过具有喷嘴的切割头，该喷嘴引导切割射流流到工件上。系统可绘制或给料研磨介质到高压水射流中，以形成高压磨料水射流。切割头随后可控的移动过工件移动，以根据需要切割工件，或者工件可以被可控的在水射流或磨料水射流下方移动。用于产生高压水射流系统目前是可用的，诸如由Flow国际公司(本专利的申请人)制造的4^TM五轴水射流系统。水射流系统的其它实施例示出和描述在Flow的美国专利号US5,643,058，其通过引用其整体并入本文。

当切割由碳纤维增强塑料或其他复合材料制造的工件时，使用磨料水射流切割系统是有利的以满足精确的标准；但是，使用磨料带来复杂性，磨料系统可能带来其他缺点，包括所费磨料的污染和管理。虽然纯水射流系统可以解决一些缺点并避免一些磨料水射流系统的复杂性，使用加载磨料的纯水射流的已知系统，当切割由碳纤维增强塑料或其它类似的复合材料制造的工件，通常都不足以满足精确的标准。

发明概述

本文中所描述的实施方式提供了高压水射流系统、水射流切割头组件、喷嘴部件及相关方法，其特别适合用于以纯水射流切割复合材料以满足严格标准。实施方式包括喷嘴部件，其具有紧凑高效的形式因素，这些因素被构造成清除切割位置的障碍物，诸如切割操作期间的静止流体液滴和颗粒物质，否则其可能阻碍水射流的路径，并引起切割表面上的表面不规则和异常。喷嘴部件还能够通过引入辅助流体或应用真空而选择性改变水射流，这可能使表面缺陷(例如脱层)的发生减少，否则这些可能在诸如钻孔、穿孔的活动过程中发生。更进一步地，喷嘴部件可被配置成能够检测用于生成水射流的孔口单元或构件的状态。因此，孔口单元或构件可以被替换，当其状态恶化到低于维持切割性能的可接受的水平时。

实施方案也可以易于在纯水射流切割构造和磨料水射流切割构造之间转换，以提供附加的功能和处理灵活性。

在一个实施方式中，高压水射流切割系统的喷嘴部件可概括为包括整体式主体，其具有：水射流通道，其通过整体式主体沿轴线延伸，所述水射流通道包括在其上游端的入口和在其下游端的出口；至少一个射流变换通道穿过整体式主体延伸，并与所述水射流通道在其入口和出口之间相交，以使操作过程中当水射流穿过水射流通道行进并通过出口排放时，能够选择性改变水射流；以及至少一个下游部分相对于流体射流通道对准，使得在操作过程中通过环境控制通道传递的气体，被引导以撞击在工件上，在水射流撞击位置或其相邻处。

所述整体式主体还可以包括状态检测通道，其穿过整体式主体并与水射流通道在其入口和出口之间交叉，以使得能够检测产生水射流的上游部件的状态。所述整体式主体可以由添加制造或铸造工艺形成。所述整体式主体还可以包括第一接口，其与射流变换通道流体连通，用于将射流变换接口连接到辅助流体源；以及第二接口，其与环境控制通道流体连通，用于将环境控制通道连接到加压气体源。整体式主体还可以包括孔口支座接纳腔和排气通道——在孔口支座接纳腔和喷嘴部件的外部环境之间延伸。

射流变换通道可以包括环绕水射流通道的大致环形的部分。射流变换通道可以包括在各个大致环形的部分和水射流通道之间延伸的多个桥连通路。所述多个桥连通路能够以常规式样围绕水射流通道沿圆周间隔开。各个桥连通路可以包括下游端，其被配置为将辅助流体以朝向水射流通道的出口倾斜的某个角度排出到水射流通道中。射流变换通道可以包括多个不同的子通路，其可以被配置为将来自共同辅助流体源的辅助流体同时排出到在操作过程中水射流穿过所述水射流通道的路径中。

环境控制通道可以包括环绕水射流通道的大致环形的部分。环境控制通道可以包括多个不同的子通路，在大致环形部分和喷嘴部件的外部环境之间延伸。环境控制通道的多个不同的子通路能够以规则式样围绕水射流通道沿圆周间隔开。环境控制通道的各不同的子通路可以包括下游端，其被构造成排出气体以撞击在工件上的水射流撞击位置或附近。环境控制通道可以包括多个不同的子通路，其可被配置为在操作期间将来自共同加压气源的气体同时排出以撞击到工件上的水射流撞击位置或附近。

高压水射流切割系统的切割头组件可以概括为包括孔口单元，在操作过程中水流通过该孔口单元以产生用于切割工件的高压水射流；喷嘴主体，其包括流体输送通道以朝向孔口单元输送水；以及喷嘴部件，其被连接到喷嘴主体，孔口单元位于其间。所述喷嘴部件可以包括：水射流通道，其通过整体式主体沿轴线延伸，所述水射流通道包括在其上游端的入口和在其下游端的出口；至少一个射流变换通道，其通过整体式主体延伸并与水射流通道在该通道入口和出口之间延伸，以使在操作过程中当水射流穿过水射流通道行进并通过出口排出时，能够选择性改变水射流；和至少一个环境控制通道，其穿过整体式主体延伸并具有至少一个下游部分相对于流体射流通道对准，使得在操作过程中通过环境控制通道传递的气体被引导以撞击在工件的水射流撞击位置或附近。喷嘴部件还可以包括状态检测通道，该状态检测通道穿过所述喷嘴部件延伸，并与水射流通道在入口和出口之间相交，使得能够检测孔口单元的状态。喷嘴部件还可以包括喷嘴主体腔和排气通道(在喷嘴主体腔与外部环境之间延伸)。

在一些情况下，至少一个射流变换通道可以是磨料介质通道，其与水射流通道相交，使得能够在磨料水射流切割操作过程中选择性地将磨料介质加入高压水射流中。切割头组件还可以包括混合管，其可拆卸的连接到其水射流通道内的喷嘴部件，以接收高压水射流，连同来自至少一个射流变换通道的研磨介质，以混合高压水射流和磨料介质并由此排出所得的磨料水射流。

切割工件的方法可以概括为包括引导水射流到暴露于周围气氛中的工件表面上，并且同时引导气流到工件的暴露表面的切割位置或附近，以保持切割位置的切割环境，除了水射流外，基本上没有流体或颗粒物质。所述方法还可以包括使水射流相对于工件移动以沿期望路径切割工件，同时连续的引导气体流到工件的暴露表面的切割位置或附近。引导水射流到工件的暴露表面可以包括引导不加载磨料的水射流。引导水射流到工件的暴露表面可以包括引导纯水射流到复合工件上。所述方法还可以包括将辅助流体引入水射流，以在至少一部分的切割操作过程中改变水射流。所述方法还可以包括，在第一工件加工操作之后(其中水射流未加载磨料)，附加混合管到水射流源，随后在第二工件加工操作过程中，引导磨料水射流到所述工件或不同工件的表面上。

附图简要说明

图1是根据一个实施方式的高压水射流系统的切割头组件的一部分的等距视图。

图2是图1所示的切割头组件的一部分的横截面侧视图。

图3是从另一视角的图1(示出切割头组件)的切割头组件的一部分的倾斜等距视图。

图4是从另一视角的图1示出的切割头组件的流体分配部件的等距视图，其示出其若干内部通道之一。

图5是从相同视角的图4的流体分配部件的等距视图，其示出其它内部通道。

图6是从不同视角的图4的流体分配部件的等距视图，其示出其它内部通道。

图7是根据另一实施方式的高压水射流系统的切割头组件的一部分的等距视图。

图8是在图7示出的切割头组件的一部分的横截面侧视图。

图9是根据又一实施方式的高压水射流系统的切割头组件的一部分的等距视图。

图10是图9所示的切割头组件的一部分的横截面侧视图。

图11是图9所示的切割头组件的流体分配部件的等距视图，其示出若干内部通道之一。

图12是从不同视角的图11的流体分配部件的等距视图，示出其它内部通道。

具体实施方式

在以下描述中，描述某些特定细节以提供对各种公开的实施方式的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，实施方式可以在没有一个或多个这些特定细节的情况下实施。在其他情况下，以水射流切割系统及其操作的方法相关的公知结构可能不被详细示出或描述，以避免不必要的实施方式的模糊描述。例如，本领域技术人员将认识到，磨料源可以被设置以将磨料给料到本文所述的水射流系统的切割头组件，以便于高压磨料水射流切割或处理工件和工作表面。

作为另一个实施例，公知的控制系统和驱动部件可以被集成到水射流系统，以促进水射流切割头相对于待处理的工件或工作表面而移动。这些系统可以包括驱动部件围绕多个旋转和平移轴来操纵切割头，如五轴磨料水射流切割系统中是常见的。实施例水射流系统可以包括水射流切割头组件，其被连接到台架运动系统，机器人臂运动系统或其它常规的运动系统。

除非上下文另有要求，随后的整个说明书和权利要求书，单词“包括”及其变体，如“包含”和“包括”，都被构建为开放和包括的意义，即作为“包括，但不限于。”

参考贯穿本说明书对“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此“在一个实施方式中”或“在实施例中”的短语的出现在贯穿本说明书的不同位置不一定都指同一实施方式。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施方式相结合。

如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“a”，“an”和“the”包括复数对象，除非内容另有明确说明。还应当指出的是，术语“或”在其意义上通常包括“和/或”，除非该内容另外明确指出。

本文中所描述的实施方式提供了高压水射流系统、水射流切割头组件、喷嘴部件和相关方法，其特别适合用于以纯水射流或磨料水射流切割复合材料以满足精确标准。实施方式包括喷嘴部件，其具有紧凑高效的形式因素，被构造成在切割过程中清除切割位置的障碍物(诸如静止流体和颗粒物质)，否则所述障碍物可能会妨碍水射流的路径，并在切割面引起表面不规则或异常。喷嘴部件还可以经由引入辅助流体或应用真空程序能够选择性改变水射流。更进一步地，喷嘴部件可被配置成检测用于生成水射流的孔口单元或部件的状态。喷嘴部件可以包括如本文中所描述的其他特征和功能。实施方式也可以易于在纯水射流切割构造和磨料水射流切割构造之间转换，以提供附加的功能和处理的灵活性。

如本文所用，术语切割头或切割头组件可通常是指部件的组件在水射流机器或系统的工作端，并且可包括，例如诸如宝石孔口的孔口，在操作过程中流体通过该孔口以产生高压水射流，喷嘴部件(例如喷嘴螺母)用于排出高压水射流并围绕结构和装置——被直接或间接地与所述喷嘴部件连接的结构和装置，以一致地移动。切割头也可被称为末端执行器或喷嘴组件。

水射流系统可以在支撑结构附近操作，支撑结构被配置为支撑待由系统处理的工件。所述支撑结构可以是刚性结构或可重构结构，适合于在待切割的位置支撑一个或多个工件(例如复合架构部分)，修整或以其他方式处理。

合适的工件支撑结构的例子包括示出和描述在Flow公司的美国申请(申请序列号12/324719，申请日2008年11月26，公开号US 2009/0140482)中的那些，其通过引用以其整体并入本文。

水射流系统还可以包括桥接组件，其是沿着一对底座导轨可移动的。在操作中，桥接组件可以沿着底座导轨相对于平移轴线来回移动，以将处理工件的系统的切割头定位。工具托架可移动地连接到桥接组件以沿另一个平移轴线来回平移，该另一个平移轴垂直于上述平移轴线。工具托架可被配置成沿着另一个平移轴线升高和降低切割头，以使切割头朝向和远离工件移动。一个或多个可操纵的连接或部件也可以设置中间切割头和工具托架，以提供附加功能。

例如，水射流系统可以包括前臂，其可旋转地连接到工具托架用于使切割头围绕旋转轴旋转，和腕部，其旋转地连接到前臂以围绕另一旋转轴使切割头旋转，另一旋转轴不平行于前述旋转轴。在组合中，腕部和前臂的旋转轴可以使切割头在相对于工件在宽的方向范围内被操作，以促进(例如)切割复杂的轮廓。在一些实施方式中，旋转轴可以在一个焦点汇聚，旋转轴可以相对于切割头的喷嘴部件的端部或尖端偏移。切割头的喷嘴部件的端部或尖端优选与待被处理的工件或工作表面相距所希望的距离。相隔距离可以被选择或维持在一个期望的距离，以优化水射流的切割性能。

在操作过程中，相对于每个平移轴和一个或多个旋转轴的切割头的运动可通过各种传统的驱动部件和合适的控制系统来完成。所述控制系统通常可以包括，但不限于，一个或多个计算设备，诸如处理器、微处理器、数字信号处理器(DSP)，应用专用集成电路(ASIC)，和类似物。用于存储信息，所述控制系统还可以包括一个或多个存储设备，诸如易失性存储器，非易失性存储器，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和类似物。存储设备还可以由一个或多个总线连接到计算设备。控制系统可进一步包括一个或多个输入设备(例如显示器、键盘、触摸板、控制器模块或用于用户输入的任何其他外围设备)和输出设备(例如，显示屏幕、发光指示器和类似物)。

控制系统可以存储一个或多个程序，用于根据各种切割头移动指令处理任何数目的不同的工件。该控制系统还可以控制其它部件的操作，例如磨料介质源、辅助流体源、真空设备和/或连接到本文所述的磨料水射流切割头组件和部件的加压气体源。根据一个实施方式的控制系统可以用通用计算机系统的形式提供。计算机系统可以包括如下部件，例如CPU、各种I/O部件、存储和闪存。所述I/O部件可以包括显示器、网络连接、计算机可读介质驱动器和其他I/O设备(键盘、鼠标、扬声器等)。控制系统管理程序可以在存储器中执行，例如在CPU的控制之下，并且可以包括相关的，除其他事项外的功能，通过本文所述的水射流系统按路线引导高压水，提供辅助流体流以调整或修改排出流体射流和/或提供加压气体流以提供对暴露的工件表面的通畅水射流切割的一致性。用于磨料水射流系统的另外的示例的控制方法和系统，其中包括例如CNC功能，其适用于本文所描述的水射流系统在Flow国际公司的美国专利号US6766216中描述，其在此通过引用并入其全部被描述。通常情况下，计算机辅助制造(CAM)处理方法可以被用来沿着指定路径有效地驱动或控制切割头，诸如通过使工件的二维或三维模型，使用计算机辅助设计(即CAD模型)——待被用于生成代码以驱动机器。例如，在一些情况下，CAD模型可以被用来产生指令以驱动水射流系统的适当的控制和电，以围绕各个平移轴和/或旋转轴操控切割头来切割或处理工件，如在CAD模型中反映出的。但是，控制系统、传统的驱动部件，以及与水射流和磨料水射流系统相关联的其他公知系统的细节未被示出或详细描述，以避免不必要的模糊实施例的描述。

与水射流系统相关联的其它公知的系统也可以被提供，例如高压流体源(例如，直接驱动和增压泵，压力评级范围从约20,000psi至100,000psi和更高)，其用于供给高压流体到切割头和/或供给磨料源(例如磨料料斗和磨料分配系统)用于提供磨料介质给切割头，以使磨料水射流能够进行加工(如果需要)。在一些实施方式中，真空装置可以被提供以有助于将磨料吸入来自流体源的高压水以产生磨料水射流。

根据一些实施方式，例如提供一种高压水射流系统，该系统包括泵，例如直接驱动泵或增压泵，以选择性地提供高压水源，其操作压力至少为20,000psi，且在一些情况下，等于或高于60,000psi或约60,000psi至约110,000psi之间。高压水射流系统还包括切割头组件，其被配置成接收由泵供给的高压水，并产生用于处理工件或工作表面的高压水射流。与泵流体连通的流体分配系统，切割头组件也被提供以帮助从所述泵到所述切割头组件输送高压水。

图1至3示出流体射流切割系统10的一部分的一个实施例，其包括切割头组件12，其特别适合于，除其他事项外，以纯水射流切割由复合材料(如碳纤维增强塑料)制成的工件。

参照图2中所示的横截面，切割头组件12包括孔口单元14，切割流体(例如水)通过该孔口单元14在操作期间传递，以产生高压流体射流。切割头组件12还包括喷嘴主体16，其具有通过其延伸的流体输送通道18，以朝向孔口单元14输送切割流体。喷嘴部件20被连接到喷嘴主体16，其带有位于或夹在其间的孔口单元14。喷嘴部件20可以可拆卸地连接到喷嘴主体16，例如通过螺纹连接件22或其它连接装置。喷嘴部件20连接到喷嘴主体16可以促使孔口单元14与喷嘴主体16啮合以在其间形成密封。

喷嘴部件20可以具有一件式结构，并且可以全部或部分的由一种或多种金属(例如，钢，高强度的金属等)，金属合金或类似物制成。喷嘴部件20可包括螺纹或其它连接特征，用于连接到切割头组件12的其它部件。

孔口单元14可以包括孔口支座30和孔口构件32(例如宝石孔口)，从而被支撑用于当高压流体(例如水)穿过该孔口构件32的开口34时，生成高压流体射流。流体射流通道36可以设置在孔口构件32下游的孔口支座30中，操作期间射流通过该孔口构件32传递。孔口支座30相对于喷嘴部件20被固定，并且包括尺寸适于接收并保持孔口构件32的凹部，在一些实施方式中，宝石孔口或者其它流体射流或切割流制备装置，用于达到所得流体射流所希望的流动特性。孔口构件32的开口直径的范围可以是约0.001英寸(0.025毫米)至约0.02英寸(0.5毫米)。其它直径的开口也可以使用，如果需要或期望。

如图2中所示，喷嘴主体16可连接到高压切割流体源40，诸如高压水源(例如直接驱动或增压泵)。在操作过程中，来自切割流体源40的高压流体(例如水)可以被可控的供给到喷嘴主体16的流体输送通道18并朝向孔口单元14输送，以产生射流(未示出)，其最终从切割头组件12，通过水射流通道44的末端处出口42排出，所述水射流通道44通过喷嘴部件20沿其纵轴A延伸。

喷嘴部件20的内部通道的进一步细节(包括水射流通道44)参考图4到6示出和说明。

参考图4，水射流通道44被示出为通过喷嘴部件20的主体21沿纵向轴线A延伸。水射流通道44包括在其上游端48的入口46和在其下游端49的出口42。

至少一个射流变换通道50可在喷嘴部件20内设置，用于调节、修改或以其他方式改变从喷嘴部件20的出口42排出的射流。射流变换通道50可通过喷嘴部件20的主体21延伸，并与水射流通道44在其进口46和出口42之间相交，使得能够在其操作过程中，这样改变水射流。更具体地说，射流变换通道50可通过喷嘴部件20的主体21延伸，并包括与水射流通道44相交的一个或多个下游部分52，使得在操作期间通过射流变换通道传递的辅助流体可以被引导以冲击流体射流穿过其中。作为实施例，流体变换通道50可以包括多个不同的下游部分52，其被设置使得从其排出的各辅助流体流冲击流体射流通过水射流通道44行进。图4中示出的示例实施方式包括三个不同的下游部分52，其以这种方式设置，然而可以理解的是两个、四个或更多的下游通道部分52可以这样的方式设置。

通道50的两个或更多的下游部分52可以在上游连接处54连接。例如，上游连接处54可以是，例如大致环形的通道部分，其与各个下游通道部分52的上游端部流体连通，如图4所示。射流变换通道50的下游部分52可以是桥连通路，其在大致环形的通道部分和水射流通道44之间延伸。桥连通路能够以常规式样围绕水射流通道44沿圆周间隔开。例如，图4所示的下游部分52包括三个不同的桥连通路以120度间隔围绕水射流通道44间隔开。在其它实例中，桥连通路能够以不规则样式围绕水射流通道44沿圆周间隔开。

此外，各个桥连通路可以包括下游端，其被配置为以一定角度将辅助流体排出到水射流通道44中，所述角度为朝向水射流通道44的出口42倾斜。以这种方式，通过射流变换通道50引入的辅助流体可以冲击射流以倾斜轨迹通过水射流通道44传递。

射流变换通道50的下游部分52可以是子通路，其被配置为同时将辅助流体从辅助流体源58(图1和3)在操作过程中水射流通过水射流通道44传递的路径。

子通路的下游出口53可以与水射流通道相交44，使得出口53共同限定水射流通道44的至少大部分的圆周部分，其具的高度由与水射流通道44相交的出口53的相应高度所限定。在一些情况下，子通路的下游出口53可以与水射流通道相交44，使得出口53共同限定水射流通道44的圆周部分的至少百分之七十五。此外，在一些情况下，出口53可以在与水射流通道44的相交处彼此重叠或几乎重叠。

射流变换通道50的上游连接处54可以直接与端口56流体连通，或经由中间部分55。端口56可用于将喷嘴部件20的射流变换通道50连接到辅助流体源58(图1至3)。参考图1或图3，端口56可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头，适配器或其他连接器57，用于经由供给管道59将流体变换通道50连接到辅助流体源58(未示出)。中间阀(未示出)或者其它流体控制装置可以被提供以有助于控制辅助流体(例如水、空气)输送到流体变换通道50，并最终传递到通过水射流通道44传递的水射流中。在其他实例中，端口56可被提供用于连接射流变换通道50到真空源(未示出)，用于在射流变换通道50内产生足以改变通过水射流通道44的水射流的流动特性的真空。射流变换通道50可以用于在切割操作的一部分的过程中，间歇地或连续地调节射流的一致性或其他射流特性。例如，在一些情况下，穿孔或钻孔操作期间，诸如水或空气的辅助流体经由流体变换通道50可以被引入水射流中。

参考图5，环境控制通道60可在喷嘴部件20内提供用于排出加压气体流以撞击在工件的暴露表面上的、在切割操作期间水射流刺穿或切口工件处(即水射流撞击位置)或其相邻处。环境控制通道60可通过喷嘴部件20的主体21延伸，并且包括一个或多个下游部分62，其相对于水射流通道44对齐(图2、4和6)，从而在操作期间使气体通过环境控制通道60传递，被引导撞击在工件上的水射流撞击位置或其相邻处。作为一个实施例，环境控制通道60可以包括多个不同的下游部分62，其被设置使得从其出口63排出的各气体流在下游方向的水射流的冲击位置或其相邻处会聚。

参考图3，从下游部分62的出口63排出的气体流可遵循各自的轨迹61，其与排出射流的轨迹23相交。气体流的轨迹61可以与排出射流的轨迹23在相交位置24相交，例如这是处于或接近水射流切割系统10的焦点或相隔距离。在一些情况下，相交位置24可以是稍短的焦点或相隔距离。在其它实例中，相交位置24可以是略微超出焦点或相隔距离，使得各个相应的气体流的轨迹61在到达水射流撞击位置之前，与工件的暴露表面相交，然后通过工件表面引导以改变方向，并流过水射流撞击位置。

虽然在图5中所示的示例环境控制通道60显示三个不同的下游部分62(在下游方向上会聚)，可以理解的是两个、四个或更多个下游通道部分62可以被以这样的方式设置。

参考图5，两个或更多的通道60的下游部分62可以在上游连接处64连接。上游连接处64可以是(例如)大致环形的通道，其与每个下游通道部分62的上游端流体连通，如在图5中所示。环境控制通道60的下游通道部分62可以是不同的子通路，其在大致环形的通道部分和流体分配部件20的外部环境之间延伸。环境控制通道60的下游通道部分62能够以规则式样围绕水射流通道44沿着圆周间隔开。例如，图5所示的下游通道部分62包括三个不同的子通路，以120度间隔围绕水射流通道44间隔开。在其它情况下，下游通道部分62能够以不规则式样围绕水射流通道44沿着圆周间隔开。

在一些情况下，下游通道部分62可以被配置为将气体从共同加压气源68(图1和3)同时排出以撞击在工件上的水射流撞击位置或其相邻处。以这种方式，通过环境控制通道60引入的加压气体可以撞击或冲击工件的暴露表面上，并清除相同的任何障碍物(例如，静止水滴或特定物质)，使得水射流能够以特别精确的方式切过工件。

上游连接处64可以直接与端口66流体连通或经由中间部分65。端口66可以用于将喷嘴部件20的环境控制通道60连接到加压气体源68(例如空气)，如图1和3。参考图1或3所示，端口66可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器67，用于经由供给管道69将环境控制通道60连接到加压气体源68。

中间阀(未示出)或其它流体控制装置可以被提供以帮助控制加压气体传递到环境控制通道60，并最终到待被处理的工件的暴露表面。

参考图6，状态检测通道70可以设置在喷嘴部件20内，以使能够检测用于产生水射流的孔口构件32(图2)的状态。状态检测通道70可以通过喷嘴部件20的主体21延伸，并包括一个或多个下游部分72，其与水射流通道44在其上游端相交，使得真空水平可被感测到，指示孔口构件32的状态。作为一个实施例，状态检测通道70可以包括曲线形通道75，其与水射流通道44相交——在孔口支座30的流体射流通道36的出口附近或下游。状态检测通道70可以与端口76流体连通，所述端口76可用于将喷嘴部件20的状态检测通道70连接到真空传感器78，如图1和3中所示。参考图1或图3，端口76可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器77，用于经由供给管79将状态检测通道70连接到真空传感器78。

参考图2，喷嘴部件20还可包括喷嘴主体腔80，用于容纳喷嘴主体16下游；以及孔口支座容纳腔或凹口82，用于组装时接收孔口单元14的孔口支座30。所述喷嘴支座容纳腔或凹口82的尺寸可以被制造为帮助孔口单元14沿着水射流通道44的轴线A对准。例如，孔支座容纳腔或凹口82可包括大致圆柱形凹槽，其尺寸被制造为可插的容纳孔口单元14的孔口支座30。孔口容纳腔或凹口82可以在喷嘴主体腔80的下游端内形成。

参考图6，喷嘴部件20还可以包括排气通道92，其在排气出口90处的喷嘴部件20的喷嘴主体腔80和外部环境之间延伸。排气通道92和排气出口90可用于缓解压力，否则其可能形成围绕孔口单元14形成的内部腔之内，所述孔口单元14在喷嘴主体16和喷嘴部件20之间，如在图2中最佳的示出。

根据图1到6所示的实施方式，喷嘴部件20具有一个整体或单件式本体21，其可以由添加制造或铸造过程形成——使用适于应用高压水射流的材料性能特性(例如强度)的材料。例如，在一些实施方式中，喷嘴部件20可以通过使用15-5不锈钢或其他钢材料直接金属激光烧结工艺形成。另外，喷嘴构件20可进行热处理或其他制造工艺来改变喷嘴部件20的物理性质，诸如，增加喷嘴部件20的硬度。虽然示例喷嘴部件20被示出为具有大致圆柱形主体，其具有从其一侧突出的端口56、66、76。应当理解，在其它实施方式中，喷嘴部件20可以采取不同形式，并且可以具有设在不同位置，并具有不同取向的端口56、66、76。

此外，在一些实施方式中，喷嘴部件20可包括由其他加工或制造工序形成的整体或一件式主体，例如减法加工工艺(例如，钻孔、铣削、磨削等)。作为一个实例，图7和8示出了高压水射流切割系统10，其具有切割头组件112，所述组件112带有喷嘴部件120，其可以由减法加工工艺(例如钻、铣、磨等等。)形成。切割头组件112特别适用于，除其他事项外，用纯水射流切割由复合材料，例如碳纤维增强塑料制成的工件，以满足严格标准。

参照图8的横截面，切割头组件112包括孔口单元114，切割流体(例如水)在操作期间穿过该孔口单元114以产生高压流体射流。切割头组件112还包括喷嘴主体116，其具有流体输送通道118，通过其延伸朝向孔口单元114输送切割流体。喷嘴部件120(例如喷嘴螺母)连接到喷嘴主体116，孔口单元114定位或夹在其间。喷嘴部件120可以可拆卸地连接到喷嘴主体116，例如通过螺纹连接122或其它连接装置。喷嘴部件120与喷嘴主体116的连接可以促进孔口单元114与喷嘴主体116啮合以在其间形成密封。

喷嘴部件120可具有一件式结构，并且其全部或部分的由一种或多种金属(例如钢、高强度的金属等)、金属合金或类似物制成。喷嘴部件120可包括螺纹或其它连接特征，用于将切割头组件112连接到其它部件。

孔口单元114可以包括孔口支座130和孔口构件132(例如宝石孔口)，从而支持用于产生高压流体射流作为高压流体(例如水)穿过该孔口构件132的开口134。流体射流通路136可以设置在孔口构件132下游的孔口支座130，操作期间射流通过该孔口构件132。孔口支座130相对于喷嘴部件120被固定，并且包括尺寸适于接收并保持孔口部件132的凹部。在一些实施方式中，宝石孔口或者其它流体射流或切割流制备装置中使用，以得到所得流体射流的希望的流动特性。孔口部件132的开口的直径的范围可以是约0.001英寸(0.025毫米)至约0.02英寸(0.5毫米)。其它直径的开口也可以使用，如果需要或期望。

如图8所示，喷嘴主体116可连接到切割流体源140，诸如高压水源(例如直接驱动器或增压泵)。在操作过程中，来自切割流体源140的高压流体(例如水)可以被可控的输送到喷嘴主体16的流体输送通道118中并朝向孔口单元114输送，以产生最终从切割头组件112排出的射流(未示出)。

继续参考图8，水射流通道144被示出通过喷嘴构件120的主体121沿纵向轴线A延伸。水射流通道144包括在其上游端的入口146和在其下游端的出口142，通过其的水射流在操作过程中最终排出。

至少一个射流变换通道150可在喷嘴部件120内设置，用于调节、修改或以其他方式改变从喷嘴部件120的出口142排出的射流。射流变换通道150可通过喷嘴部件120的主体121延伸，并与水射流通道144在其进口146和出口142之间相交，使得能够在其操作过程中，以这样的方式改变水射流。更具体地说，射流变换通道150可通过喷嘴部件120的主体121延伸并与水射流通道144相交，使得操作期间通过射流变换通道的辅助流体流可以被引导冲击流体射流穿过其中。作为一个实施例，流体变换通道150可以包括线性通道，其被设置使得从其排出的各辅助流体流冲击流体射流，使其通过水射流通道144行进。图7和8所示的示例实施方式包括三个不同的射流变换通道150，其以这种方式设置，然而可以理解的是两个、四个或更多的射流变换通道150也可以被设置。

射流变换通道150能够以规则式样围绕水射流通道144沿圆周间隔开。例如，图7和8所示的实施例的射流变换通路150以约120度间隔围绕水射流通道144间隔开。在其它情况下，射流变换通道150能够以不规则式样围绕水射流通道144沿着周向间隔开。各个射流变换通道150可以被构造成以直角将辅助流体排出到水射流144中，如图8示出，或者以朝向水射流通道144的出口142倾斜的角度。后者的情况下，通过射流变换通道150引入的辅助流体可各自撞击或冲击在以倾斜轨迹通过水射流通道144传递的射流上。

射流变换通道150可以被配置为：从一个或更多的辅助流体源158同时排出辅助流体到通过水射流通道144传递的水射流的路径中。射流变换通道150的下游出口153可以与水射流通道144相交，使得下游出口153共同限定水射流通道144的至少大部分圆周部分，其高度由与水射流通道144相交的出口153的相应高度所限定。在一些情况下，水射流变换通道150的下游出口153可以与水射流通道144相交，使得出口153共同限定水射流通道44的圆周部分的至少百分之七十五。此外，在一些情况下，出口153可以与水射流通道144在连接处彼此重叠或几乎重叠。

各个射流变换通道150的上游端可以包括或限定端口156，用于连接喷嘴部件120的射流变换通道150到一个或更多的辅助流体源158，例如，如图7和8所示。端口156可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器157，将射流变换通道150连接到辅助流体源158，例如经由供给管道。中间阀(未示出)或其它流体控制装置可以被提供以帮助控制辅助流体(例如水、空气)传递到射流变换通道150，并最终传递到通过水射流通道144传递的流体射流中。其他实例中，一个或更多的射流变换通道150的端口56可以被提供用于连接射流变换通道150到真空源(未示出)，用于在射流变换通道150内产生真空，足以改变穿过水射流通道144的水射流的流动特性。射流变换通道150可以在切割操作的一部分期间，间歇地或连续地用于调节射流的一致性等等。例如，在一些情况下，辅助流体(例如水或空气)可以在穿孔或钻孔操作期间经由射流变换通道150被引入水射流中。

参考图8，一个或更多的环境控制通道160可设置在喷嘴部件120内用于排放加压气体流，以撞击在工件的暴露表面上的水射流刺穿或切割工件处(即水射流冲击位置)或其相邻处。各个环境控制通道160可通过喷嘴部件120的主体121延伸，并且包括被相对于水射流通道144对其的下游端，以便在操作期间穿过环境控制通道160传递的气体被引导以撞击在工件上的水射流冲击位置或其相邻处。作为一个实例，环境控制通道160可以包括线性通道，其被引导朝向纵向轴线A，使得从其排出的气体流遵循轨迹161，其与排出射流的轨迹123相交。

气体流的轨迹161可以与排出射流的轨迹123在相交位置124相交，例如其是处于或邻近水射流切割系统110的焦点或相隔距离。在一些情况下，相交位置124可以是稍短的焦点或相隔距离。在其它情况下，相交位置124可能会稍微超出焦点或相隔距离，使得气体流的轨迹在到达水射流撞击位置之前，与工件的暴露表面相交，然后通过工件表面被引导以改变方向并穿过水射流撞击位置流动。

尽管图7和8的示例性实施方式包括在下游方向会聚的三个不同的环境控制通道160，可以理解的在于：一个、两个、四个或更多的环境控制通道160可以用这样的方式被设置。在其他实例中，一个或更多的气体流与被排出的射流被大致共线引导，以形成围绕射流的护罩。

环境控制通道160能够以规则式样围绕水射流通道144沿圆周间隔开。例如，图7和8所示的实施方式的环境控制通道以约120度间隔围绕隔水射流通道144间隔开。在其它实例中，环境控制通道160可以采用不规则式样围绕水射流通道144沿圆周间隔开。在一些情况下，环境控制通道160可以被配置为将来自从一个或多个加压气体源168的气体同时排出以撞击到工件的暴露表面的水射流撞击位置或与其邻近处。以这种方式，从环境控制通道160排出的加压气体流可以撞击或冲击工件的暴露表面，并清除同一障碍物，如静置水滴或颗粒物质，使得水射流可通过特别精确的方式穿过工件。

各环境控制通道160的上游端可以包括或限定端口166。端口166可以被提供为将喷嘴部件120的环境控制通道160连接到一个或多个加压气体源168。端口166可以是螺纹或以其它方式被配置成接收接头、适配器或其他连接器167，用于将环境控制通道160连接到一个或多个加压气体源168，诸如经由一个或更多的供应导管。

中间阀(未示出)或其它流体控制装置可以被提供以帮助控制加压气体传递到环境控制通道160，并最终传递到待被处理的工件的暴露表面上。

参照图7和8，喷嘴部件120还可包括在喷嘴主体腔180和喷嘴部件120在排气出口190处的外部环境之间延伸的排气通道。排气通道和排气出口190可用于缓解压力，所述压力可能以其他方式在围绕孔口单元114形成的内部腔体内产生，所述孔口单元114在喷嘴主体116和喷嘴部件120之间，如图8中最佳的示出。

在操作过程中，并且参考图7和8，高压水可以选择性地从高压水源140供给到喷嘴主体116。高压水可以通过喷嘴主体116的通道118朝向孔口构件32行进，所述孔口构件132在孔口单元114的孔口支座130中被支撑，其在喷嘴部件120的喷嘴主体116和孔口支座容纳腔182之间被压缩。当高压水穿过孔口构件132时，流体射流通过孔口支座130的流体射流通道136下游产生和排出。射流继续通过喷嘴部件120的水射流通道144，并通过喷嘴部件120的出口142被最终排出到待被切割或以期望的方式处理的工件或工作表面。

如从上文描述中可以理解的是，可以沿着水射流通道提供附加特性和功能，在排出前以调节或以其它方式改变射流。例如，一个或多个射流变换通道160可以被提供并且连接到一个或多个辅助流体源158、真空源或其他装置，以在射流通过喷嘴部件120的水射流通道144时将其改变。此外，一个或多个气体流可以从一个或多个环境控制通道160被排出，并被引导以清除工件的暴露表面上的区域的障碍物，例如静置水滴和/或颗粒物。

虽然图1至图8中的示例性切割头组件12，112特别地被示出为产生未加载磨料的纯水射流的系统。可以理解的是，在其他实施方式中，磨料介质源可以被连接到切割头组件12，112，以通过混合室传递磨料介质到流体射流中，例如，以使得水射流与磨料介质混合以形成磨料水射流。此外，本文所描述的喷嘴部件20，120可以包括用于接收细长混合管元件的腔或其他特征，所述细长混合管元件可从喷嘴部件20，120的端部突出并提供延长的通道，在该通道中磨料介质在从切割头组件12，112排出之前，可以彻底与水射流混合。

图9至图12示出流体射流切割系统210的一部分的实施例，其包括切割头组件212，其特别适合用磨料水射流切割工件(可选地用纯水射流)。

参照图10所示的横截面，所述切割头组件212包括孔口单元214，切割流体(例如水)在操作期间通过该孔口单元214传递以产生高压流体射流。切割头组件212还包括喷嘴主体216，其带有孔口单元214定位或夹在其间。喷嘴部件220可拆卸地连接到喷嘴主体216，例如通过螺纹连接222或其它连接装置。

喷嘴部件220与喷嘴主体216的连接可以促使孔口单元214与喷嘴主体216啮合以在其间形成密封。

喷嘴部件220可具有单一件结构，并且全部或部分可以由一种或多种金属(例如钢、高强度的金属等)、金属合金等制成。喷嘴部件220可包括螺纹或其它连接特征，用于将切割头组件212连接到其它部件。

孔口单元114可以包括孔口支座130和孔口部件132(例如宝石孔口)，从而支持用于产生高压流体射流作为高压流体(例如水)穿过该孔口构件132的开口134。流体射流通路136可以设置在孔口构件132下游的孔口支座130，操作期间射流通过该孔口构件132。孔口支座130相对于喷嘴部件120被固定，并且包括尺寸适于接收并保持孔口部件132的凹部。在一些实施方式中，宝石孔口或者其它流体射流或切割流制备装置中使用，以得到所得流体射流的希望的流动特性。孔口部件132的开口的直径的范围可以是约0.001英寸(0.025毫米)至约0.02英寸(0.5毫米)。其它直径的开口也可以使用，如果需要或期望。

如图10所示，喷嘴主体216可连接到高压切割流体源240，诸如高压水源(例如直接驱动器或增压泵)。在操作过程中，来自切割流体源240的高压流体(例如水)可以被可控的馈送到喷嘴主体16的流体传递通道218并朝向孔口单元214输送，以产生射流(未示出)，其在穿过水射流通道244之后最终从切割头组件212排出，所述水射流通道244通过喷嘴部件220的主体221沿其纵轴A，在入口246的上游端和出口242下游端之间延伸。

细长喷嘴或混合管250可设置在孔口单元214的下游，以接收高压水射流并通过出口251从其端部朝向工件或工作表面排出水射流。细长喷嘴或混合管250可移除地连接到喷嘴部件，以使系统210在纯水射流切割结构(其中细长喷嘴或混合管250不存在)和磨料水射流切割结构(其中细长喷嘴或混合管250存在)之间转换。

作为一个实施例，细长喷嘴或混合管250可包括磁圈252，其被配置为通过套环252和喷嘴部件220之间的磁耦合，将细长喷嘴或混合管250固定在某一位置。在其它实例中，细长喷嘴或混合管250可通过一个或多个紧固件装置或紧固技术连接到喷嘴部件220，包括例如，示出和描述在Flow公司的美国专利申请序列号12/154313中的那些，其在以其整体并入本文其全文。有利的是，也可以设置细长喷嘴或混合管250可以被提供以处理某些材料，这些材料不易于用纯水射流处理。相反地，细长喷嘴或混合管250可被省略，以处理某些材料(易于用水射流处理)。有利的是，系统210可以容易地在纯水射流切割结构和磨料水射流切割结构之间根据需要或期望而转换。

参照图10，至少一个射流变换通道件255a、255b可以被提供通过喷嘴部件220或设置于其内，用于调整、修改或以其他方式改变从切割头组件212排出的射流。每个射流变换通道255a、255b可以通过喷嘴部件220的主体221延伸，并与水射流通道244在其入口246和出口242之间相交，以使在其操作过程中能够以这样方式改变或修改水射流。

根据图9到12所示的实施方式，第一射流变换通道255a通过喷嘴部件220的主体221延伸，以提供辅助流体或磨料介质源258和水射流通道244之间的流体连通。流体变换通道225a的下游端与水射流通道244相交，使得在操作期间穿过流体变换通道255a的辅助流体或磨料介质，被引导冲击和/或与穿过其中的水射流混合。作为例子，射流变换通道255a可包括单一的曲线通道，其被设置使得磨料介质从喷嘴部件220外部的上游位置外朝向混合室245引导，混合室245由射流变换通道255a和谁射流通道244相交处限定。

射流变换通道255a的上游端可以与端口256a流体连通。端口256a可以被设置用于连接喷嘴部件220的射流变换通道255a到辅助流体或磨料介质源258。参考图9或图10，端口256a可以是螺纹或以其它方式配置成接收连接装置、适配器或其他连接器257a，用于通过供应导管259a将射流变换通道255a连接到辅助流体或磨料介质源258。中间阀(未示出)或其它流体控制装置可以被提供以帮助控制辅助流体(例如水、空气)或磨料介质传递到射流变换通道255a，并最终到穿过水射流通道244的水射流中。

根据图9到12中示出的实施方式，第二射流变换通道255b通过喷嘴部件220的主体221延伸，以提供补充装置或设备261(例如，辅助流体源、磨料源或真空装置)和水射流通道244之间的流体连通。水射流通道244操作期间，流体变换通道255b的下游端与水射流通道244相交，使得在操作过程中，辅助流体或磨料介质可以通过射流变换通道255b被传递，并且可以被引导到冲击和/或与穿过其中的水射流混合，或使得真空能够应用于以协助通过前述射流变换通道255a将磨料介质引到水射流中，如以上所讨论。第二射流变换通道255b可以包括单个曲线通道，其被设置为与第一射流变换通道255a相对，并且可以具有相同或类似的路径或轨迹。

第二射流变换通道255b的上游端可以与端口256b流体连通。端口256b可以被设置用于将喷嘴部件220的射流变换通道255b连接到辅助装置或设备261。参考图9，端口256b可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器257b，用于经由供应导管259b将射流变换通道255b连接到辅助装置或设备261。中间阀(未示出)或其它流体控制装置可以被提供以有助于控制辅助流体(例如水、空气)或磨料介质传递到射流变换通道255b，并最终到水射流中，所述水射流穿过水射流通道244。在其它实例中，中间阀或其它流体控制装置可以被提供，以协助在通道255b内产生真空，以帮助引导磨料介质到水射流中或以其他方式调整或改变穿过水射流通道244的水射流的一致性或流动特性。

射流变换通路255a、255b可以被间歇地或连续的使用，在切割操作的一部分期间用来调整射流的一致性或其他射流特性。例如，在一些情况下，诸如水或空气或其它气体的辅助流体，在穿孔或钻操作过程中，可经由一个或更多的射流变换通道255a、255b引入水射流中。在其他实例中，当在磨料水射流切割构造中操作时，通过一个或多个射流变换通路255a、255b，将磨料介质可以被给料或被吸入到水射流中。在一些情况下，射流变换通路255a可以输送磨料介质到水射流中，同时另一射流变换通道255b被连接到真空源261的形式的辅助装置261，以帮助将磨料介质吸入水射流。

参照图11和12，示出和说明喷嘴部件220的内部通道，包括水射流通道244的另外细节。

参考图11，环境控制通道260可以设置在喷嘴部件220内，用于排出加压气体流，以撞击在工件暴露表面上或附近，在该位置水射流在切割过程中刺穿或切割通过工件(即水射流冲击位置)。环境控制通道260可通过喷嘴部件220的主体221延伸，并且包括一个或多个下游部分262，其相对于水射流通道244对准(图10和12)，以便在操作过程中，通过环境控制通道260的气体被引导为撞击在工件的水射流撞击位置或与其邻近处。作为一个例子，环境控制通道260可以包括多个不同的下游部分262，被设置使得从其出口263排出的各气体流在其下游方向或在水射流撞击位置附近汇聚。

从下游部分62的出口63排出的气体流可遵循各自的轨迹，其与排出射流的轨迹相交。气体流的轨迹可以与排出射流的轨迹在相交位置相交，例如，其是处于或邻近水射流切割系统210的焦点或相隔距离。在一些情况下，相交位置可以是稍短的焦点或相隔距离。在其它情况下，相交位置可以稍微超出焦点或相隔距离，使得每个相应的气体流的轨迹与工件的暴露表面相交，在水射流到达撞击位置之前，然后通过所述工件表面上被引导定向以改变方向，并流过水射流撞击位置。

虽然在图11所示的示例的环境控制通道260显示出在下游方向会聚的三个不同的下游部分262，但可以理解是，两个、四个或更多的下游通道部分262可以用这样的方式被设置。

参考图11，通道260的两个或更多的下游部分262可连接在上游连接处264。上游连接处264可以是，例如大致环形通道，其与每个下游通道部分262的上游端流体连通。环境控制通道260的下游通道部分262可以是不同的子通路，其在大致环形的通道部分和流体分配部件220的外部环境之间延伸。环境控制的通道260的下游通道部分262可以以规则式样围绕水射流通道244沿圆周间隔开。例如，在图11中所示的下游通道部分262包括以约120度间隔的水射流通道244的三个不同的子通路。在其它情况下，下游通道部分262可以以不规则的样式围绕水射流通道244在圆周向间隔开。

在一些情况下，下游通道部分262可被配置为将来自共同加压气源268(图9和10)的气体排放以撞击在工件的水射流撞击位置或与其邻近处。以这种方式，通过环境控制通道260引入的加压气体可能撞击或冲击到工件的暴露表面上，并清除相同的任何障碍物(例如，静止的水滴或特定物质)，使得水射流可以以特别精确的方式穿过工件。

上游连接处264可以经由中间部分265直接与端口266流体连通。端口266可以被设置用于将喷嘴部件220的环境控制通道260连接到加压气体源268(图9和10)。参考图9或10，端口266可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器267，用于经由供应导管269将环境控制通道260连接到加压气源268。中间体阀(未示出)或者可以提供其它流体控制装置以有助于控制加压气体到环境控制通道260的输送，并最终输送到工件的待被处理的暴露表面。在其它实例中，环境控制通道260可以连接到不同的流体源，诸如加压液体源。

参考图12，状态检测通道270可以在喷嘴部件220内设置使得能够检测用于产生水射流的孔口部件232的状态(图10)。状态检测通道270可通过喷嘴部件220的主体221延伸，并包括一个或多个下游部分272，与水射流通道244的在其上游端部相交，使得真空水平可被感测到，指示孔口构件232的状态。作为一个实施例，状态检测通道270可以包括曲线形通道275，其与水射流通道244相交，水射流通道244在孔口支座236的流体射流通道236的出口的附近或下游。状态检测通道70可以与端口276流体连通，所述端口276可用于将喷嘴部件220的状态检测通道270连接到真空传感器278，如图9中所示。参考图9，端口276可以是螺纹或以其它方式配置成接收接头、适配器或其他连接器277，用于经由供给管279将状态检测通道270偶联到真空传感器278。

参照图10，喷嘴部件220还可以包括喷嘴主体腔280，用于接收喷嘴主体216的下游端，和孔口支座接收腔或凹槽282以在组装时接收孔口元件214的孔口支座230。喷嘴支座接收腔或凹槽282的尺寸可以有助于沿着水射流通道244的轴线A与孔口单元214对齐。例如，孔口支座接收腔或凹口282可包括大致圆柱形凹口，其尺寸制造为可插入的接收孔口单元214的孔口支座230。孔口接收腔或凹口282可以在喷嘴主体腔280的下游端内形成。

参考图12，喷嘴部件220还可以包括排气通道292，其在喷嘴部件20的喷嘴主体腔80和排气出口290处的外部环境之间延伸。排气通道292和排气出口290可用于缓解压力，否则所述压力可能在围绕孔口单元214形成的内部腔内产生，所述孔口单元214在喷嘴主体216和喷嘴部件220之间，如在图2中最佳示出。

根据图9至12示出的实施方式，喷嘴部件220具有整体或单件式的主体221，其可由添加制造或铸造工艺使用带有适于高压水射流应用的材料特性(例如强度)的材料制成。例如，在一些实施方式中，喷嘴部件220可通过使用15-5不锈钢或其他钢材料直接金属激光烧结工艺形成。此外，喷嘴部件220可经历热处理或其他制造工艺来改变喷嘴部件220的物理性质，例如增加喷嘴部件220的硬度。虽然示例性的喷嘴部件220被示出为具有大致圆柱形的主体和从其一侧突出的端口256a、256b、266、276排列，应当理解，在其它实施例中，喷嘴部件220可采取不同的形式，并且可以具有端口256a、256b、266、276，位于不同位置并具有不同取向。

尽管磨料水射流系统和组件可以被考虑(例如图9中所示的流体射流切割系统210)，许多的所述系统、部件和本文描述的方法特别适于处理某些工件，诸如用未装载磨料的纯水射流处理复合材料的工件。如本文所用，术语纯水射流不排除加入调节剂或其它添加剂，而是指缺乏磨料介质颗粒，如石榴石颗粒。本文所描述的系统、组件和方法能够切割复合材料，例如碳纤维增强塑料制成的工件，而没有与提供磨料水射流的功能相关联的附加的复杂性，但同时保持切割质量和精度(等同于此磨料系统)。有利的是，环境控制通道和本文中所描述的相关功能使暴露的工件表面的障碍物，如静置水滴或颗粒物质被清除，否则这可能会排出水射流的通路受阻，并妨碍其干净和有效地切割工件(诸如复合工件)的能力。

鉴于上述情况，应当理解的是，可以根据本文描述的各个方面提供用于高压水射流系统10、110、210的各种喷嘴部件20、120、220，这是特别适于提供用于接收高压水射流，辅助流体的流动和/或加压气体的流动，使得能够对切割环境的射流一致性进行调整和/或控制，同时朝向工件的暴露表面排出射流。喷嘴部件20、120、220可以包括复杂的通道(例如，具有曲线形轨迹和/或变化的横截面形状和/或尺寸的通道)，它们非常适合于输送流体或其它物质，以特别有效和可靠的外形因素。

这种喷嘴部件20，120，220的实施方式的益处包括提供增强的流动特性和/或内部通道内降低湍流的能力。当空间限制可能无法提供足以产生有利的流体特性的空间时，这可以是特别有利的。例如，薄形(low profile)喷嘴部件20，120，220可以是被期望的，当在有限空间内切割工件时。包括如本文所述的带有内部通道的喷嘴部件20，120，220可以使这种薄型喷嘴部件20，120，220能够产生具有所需射流特性的流体射流，尽管有这样的空间限制。此外，这样的喷嘴部件20，120，220的疲劳寿命可通过消除尖角，突然过渡和其它应力集中特征延长。这些和其他益处可通过本文所描述的各种实施方式来提供。

根据本文描述的各种水射流切割系统10，110，210的切割头组件12，112，212和喷嘴部件20，120，220，还可以提供切割工件的相关的方法。一个实例方法包括将水射流引导到被暴露于周围气氛中的工件的表面，同时引导气流到工件暴露表面，在切割位置或其相邻处以保持在切割位置即是切割环境，除了水射流基本上没有流体或颗粒物质。该方法还可以包括相对于工件移动水射流的源，以沿着所需路径切割工件，同时连续地引导气体流到所述工件的暴露表面的切割位置或与其邻近处。

以这种方式，切割环境可以建立并在整个切割保持，其通畅或基本上不阻碍静止流体或颗粒物质，例如，它可以保持以更精确的方式使切割工件。在一些情况下，能够用纯水射流以高精度纯水射流切割复合工件。有利地，使用磨料介质(例如石榴石)可以被避免，在某些情况下可以简化切割过程，并提供清洁的工作环境。在其他实例中，所述方法还可以包括处理操作的至少一部分期间用磨料水射流切割工件。在某些情况下，可以进行的工件的处理操作，其中水射流不加载磨料，且第二工件处理操作可以与在靠近连续磨料混合管附着到水射流源之后进行。

该方法还可以包括将辅助流体(例如水、空气)加入水射流中以在切割操作的至少一部分期间以改变水射流。以这种方式，一致性或其它性能或排出射流的特性可以有选择地改变。在一些情况下，例如射流可以在钻井过程刺穿或其他程序中改变，其中可能有利的是在撞击到工件或工作表面上之前，有益的减少水射流的能量。当切割复合材料如碳纤维增强塑料时，这可以减少脱层等缺陷。

能够从本公开详细阅读理解的是另外的特征和可能增加或补充本文所描述方法的其它方面。

此外，上述各种实施例的方面和特征可被组合以提供进一步的实施方式。这些和其他的变化可以对根据以上实施方式进行。在一般情况下，在下面的权利要求中，术语的使用不应当被理解为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例的等价物的全部范围。

美国专利申请号14/156315，2014年1月15日提交申请，将以其全部引入本文作为参考。

Claims

1.一种高压水射流切割系统的喷嘴部件，其包括端部效应组件，其被构造成接收高压水和生成用于处理工件的高压水射流，所述喷嘴部件包括：

整体式主体，其具有：

水射流通道，其穿过所述整体式主体沿着轴线延伸，所述水射流通道包括在其上游端的入口和在其下游端的出口；

至少一个射流变换通道，其穿过所述整体式主体延伸，并与所述水射流通道在该通道的所述入口和所述出口之间相交，以使在操作过程中当水射流穿过所述水射流通道并通过出口排出时，能够选择性改变水射流；及

至少一个环境控制通道，穿过所述整体式主体延伸，并具有至少一个下游部分相对于流体射流通道对准，使得气体在操作过程中穿过所述环境控制通道，被引导到撞击在工件上的水射流撞击位置或相邻处。

2.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述整体式主体包括状态检测通道，其穿过所述整体式主体延伸，并与所述水射流通道在其入口和出口之间相交，以使能够检测上游部件的状态，所述上游部件生成水射流。

3.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述整体式主体由添加制造或铸造工艺形成。

4.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述整体式主体还包括第一端口，其与所述射流变换通道流体连通，用于将所述射流变换端口连接到辅助流体源，以及第二端口，其与环境控制通道流体连通，用于将环境控制通道连接到加压气源。

5.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述射流变换通道包括环绕所述水射流通道的大致环形的部分。

6.如权利要求5所述的喷嘴部件，其中所述射流变换通道包括多个桥连通路，各个桥连通路在所述大致环形部分和所述水射流通道之间延伸。

7.如权利要求6所述的喷嘴部件，其中所述多个桥连通路以规则样式围绕所述水射流通道沿着圆周向间隔开。

8.如权利要求6所述的喷嘴部件，其中所述多个桥连通路包括下游端部，其被配置为以朝向所述水射流通道出口倾斜的角度将辅助流体排放到所述水射流通道中。

9.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述射流变换通道包括多个不同的子通路，其被配置为在操作期间，将来自共同辅助流体源的辅助流体同时排放到通过所述水射流通道传递的水射流的路径中。

10.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述环境控制通道包括环绕所述水射流通道的大致环形的部分。

11.如权利要求10所述的喷嘴部件，其中所述环境控制通道包括多个不同的子通路，各个子通路在大致环形的部分和所述喷嘴部件的外部环境之间延伸。

12.如权利要求11所述的喷嘴部件，其中所述多个环境控制通道的不同子通路以规则式样围绕所述水射流通道沿圆周间隔开。

13.如权利要求11所述的喷嘴部件，其中所述环境控制通道的各个不同子通路包括下游端，其被构造为排出气体以撞击在工件的水射流撞击位置或其相邻处。

14.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述环境控制通道包括多个不同的子通路，其被配置为在操作期间，将来自共同的加压气源的气体同时排出以撞击在工件的水射流撞击位置或其相邻处。

15.如权利要求1所述的喷嘴部件，其中所述整体式主体还包括孔口支座接纳腔，和在所述孔口支座接纳腔和所述喷嘴部件的外部环境之间延伸的排气通道。

16.一种高压水射流切割系统的喷嘴部件，其包括端部执行组件，该组件被构造成接收高压水并生成用于处理工件的高压水射流，所述喷嘴部件包括：

整体式主体，其具有：

至少一个射流变换通道，其穿过所述整体式主体延伸，并与所述水射流通道在该通道的所述入口和所述出口之间相交，以使在操作过程中当水射流穿过所述水射流通道行进并通过出口排出时，能够选择性改变水射流；所述射流变换通道包括环绕所述水射流通道的大致环形的部分，以及多个桥连通路，各个桥连通路在所述大致环形部分和所述水射流通道之间延伸。

17.权利要求16所述的喷嘴部件，其中各个所述桥连通路包括下游端，其被配置为以朝向水射流通道出口倾斜的角度将辅助流体排放到水射流通道中。

18.一种高压水射流切割系统的喷嘴部件，包括端部执行组件，其被构造成接收高压水并生成用于处理工件的高压水射流，所述喷嘴部件包括：

整体式主体，其具有：

水射流通道，其穿过所述整体式主体沿着轴线延伸，其内表面在操作过程中暴露于所述水射流；及

环境控制通道，其穿过所述整体式主体延伸，所述环境控制通道具有环绕所述水射流通道的大致环形的部分及多个不同的子通路，各个子通路在大致环形的部分和所述喷嘴部件的外部环境之间延伸。

19.权利要求18所述的喷嘴部件，其中所述环境控制通道的不同子通路包括下游端，其被构造为相对于所述水射流通道构造成在操作期间排出气体以撞击在工件上的水射流撞击位置或其相邻处。

20.一种高压水射流切割系统的切割头组件，所述切割头组件包括：

孔口单元，在操作过程中水穿过该孔口单元以生成切割工件的高压水射流；

喷嘴主体，其包括流体输送通道以朝向所述孔口单元输送水；

喷嘴部件，其被连接到喷嘴主体，喷嘴单元位于其间，所述喷嘴部件包括：

至少一个射流变换通道，其穿过所述整体式主体延伸，并与所述水射流通道在该通道的所述入口和所述出口之间相交，以使在操作过程中当水射流穿过所述水射流通道行进并通过出口排出时，能够选择性改变水射流；及

至少一个环境控制通道，穿过所述整体式主体延伸，并具有至少一个下游部分相对于流体射流通道对准，使得气体在操作过程中穿过所述环境控制通道，被引导到撞击在工件上的水射流撞击位置或其相邻处。

21.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件还包括穿过其延伸的状态检测通道，该状态检测通道与所述水射流通道在其入口和出口之间相交，使得能够检测孔口单元的状态。

22.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件包括整体式主体，其由添加剂制造或铸造工艺形成。

23.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的射流变换通道包括环绕所述水射流通道的大致环形的部分以及多个桥连通路，各个所述桥连通路在大致环形的部分和水射流通道之间延伸。

24.权利要求23所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的射流变换通道的各个桥连通路包括下游端，其被配置为以朝向水射流通道出口倾斜的角度将辅助流体排出到喷嘴部件的水射流通道中。

25.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的射流变换通道包括多个不同子通路，其被配置为将来自共同辅助流体源的辅助流体，被同时排出到在操作其间通过所述水射流通道传递的水射流的路径。

26.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的环境控制通道包括环绕水射流通道的大致环形部分和多个不同子通路，各个子通路在大致环形部分和外部环境之间延伸。

27.如权利要求26所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的环境控制通道的各个不同子通路包括下游端，被构造成排放气体以撞击在工件上的水射流撞击位置或与其相邻处。

28.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件的环境控制通道包括多个不同子通路，其被配置为在操作过程中将来自共同加压气源的气体同时排放以撞击在工件上的水射流撞击位置或与其相邻处。

29.如权利要求20所述的切割头组件，其中所述喷嘴部件还包括喷嘴主体腔和排气通道，所述排气通道喷嘴主体腔与外部环境之间延伸。

30.如权利要求20所述的切割头组件，还包括：

混合管，其可拆卸地连接到所述喷嘴部件位于其水射流通道之内，以接收高压水射流连同来自至少一个射流变换通道的磨料介质一起以混合高压水射流和磨料介质，并从那里排出所得磨料水射流以撞击在工件上。

31.一种高压水射流切割系统的切割头组件，所述切割头组件包括：

孔口单元，在操作过程中水穿过该孔口单元以生成用于切割工件的高压水射流；

喷嘴主体，其包括流体输送通道以朝向所述孔口单元输送水；及

喷嘴部件，其被连接到喷嘴主体，孔口单元位于其间，所述喷嘴部件包括：

至少一个环境控制通道，穿过所述整体式主体延伸并具有至少一个下游部分相对于流体射流通道对准，使得在纯水射流操作过程中通过所述环境控制通道传递的气体，被引导以撞击在工件上或与水射流撞击位置的邻近处。

磨料介质通道，其穿过整体式主体延伸，并与水射流通道相交以在磨料水射流切割操作期间选择性将磨料介质加入到高压水射流中；和

混合管，其位于水射流通道内可拆卸的连接到喷嘴部件，以在磨料水射流切割操作过程中接收高压水射流和磨料介质，以进一步混合高压水射流和磨料介质，从其排出所得磨料水射流以撞击在工件上。

32.一种切割工件的方法，所述方法包括：

引导水射流到暴露于周围大气的工件表面上，水射流与限定切割位置的暴露表面相互作用；和

同时引导气体流到所述工件的暴露表面上的切割位置或与其邻近处，以在切割位置保持切割环境，除水射流外，基本上没有流体或颗粒物质。

33.如权利要求32所述的方法，进一步包括：

相对于工件移动水射流源以沿所需路径切割工件，同时气体流连续地被引导到工件的暴露表面上的切割位置或与其邻近处。

34.如权利要求32所述的方法，其中引导水射流到工件的暴露表面上包括引导未加载磨料的水射流。

35.如权利要求32所述的方法，其中引导水射流到工件的暴露表面上包括引导纯水射流到复合工件上。

36.如权利要求32所述的方法，还包括：将辅助流体加入水射流中以在至少一部分切割操作过程中改变水射流。

37.如权利要求34所述的方法，还包括：

在其中水射流未加载磨料第一工件加工操作之后，将混合管连接到水射流的源；

此后在第二工件加工操作之后引导磨料水射流到工件或不同工件的表面上。