CN115213820A - 一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于非淹没状态下冷切割领域，尤其为一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置。针对传统水射流切割机，切割效率低，质量差，剩余射流和磨料难收集的问题，现提出如下方案，通过高压水管连接水箱、高压水泵、蓄能器、流量计、红宝石喷嘴。纯净水经过高压水管在红宝石喷嘴处形成高速水射流；磨料位于水刀数控导轨安装架旁，通过磨料输送管进入磨料混合腔，与高速水射流混合形成高速磨料水射流，高速磨料水射流成一定角度切割位于喷嘴下方收集器上的待加工工件；本发明加工能力强，剩余射流和磨料易收集，绿色环保，不会产生热影响区和加工后的机械应力，能量转化效率高，改善了喷嘴流道，提高了设备性能和使用寿命，保障了操作人员的安全性。

Description

一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置

技术领域

本发明属于非淹没状态下冷切割领域，具体涉及一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置。

背景技术

空间探测技术分为两部分。一、近地空间航天活动；二、深空探测。近地空间航天活动主要是卫星与载人航天，可以帮助探索太空未知资源并推动世界科技水平的提高，推动人和社会的发展和进步。深空探测是在近地空间航天活动的基础上，向更广阔的太阳系空间进行探索。主要有以下四个原因。一、地外天体资源和能源的开发利用前景广阔，可能为今后地球的持续发展提供重要的支撑、或有无可能将地外天体改造成为人类可以生存繁衍的家园。二、研究太阳系的起源和演化；三、探索天体有无生命，或是否曾存在生命。四、防止小天体撞击地球。空间探测技术发展的必要性不言而喻，但太空环境严峻且恶劣，如高真空、强辐射、超低温等等。对于航天制造业提出了极高的要求。

航天制造业是航天器的基础和发展的基石，航天器能否完成其被赋予的任务。很大程度上取决于制造业的发展。航天器的部分零件属于特殊材料，在制造的过程中需要严格把控温度。数控铣削、车削等在内的传统加工技术在加工过程中会产生大量的热，特别是在加工碳纤维复合材料等材料时会破坏材料内部结构，直接降低材料性能和加工质量，且刀具磨损严重，所以对于特定材料亟需寻求一种新的加工技术。发明人在河北省在读研究生创新能力培养资助项目（CXZZSS2022132）和北华航天工业学院研究生资助项目（YKY-2021-02）过程中对此进行研究。

磨料水射流是上世纪８０年代迅速发展起来的一种适合于航天器材料加工的冷态加工技术，是固体磨料与高速射流相混合而形成的液固两相介质射流。磨料水射流的原理是在高压水射流中混入一定比例的磨料颗粒，高压水射流的强大动能传递给磨料颗粒使得磨料颗粒具有了极强的冲击力。磨料水射流加工工件的主要原因是磨料对靶物的冲击和切削作用，从而大大地提高了高压水射流的加工能力和切割效率.

然而传统的水射流切割机结构及其系统参数的配合无论是在加工精度、还是在加工的能量损耗上都有进步的空间，并且时代的发展迫切需要对高压磨料水射流系统的各项参数进行深入研究。研究和设计新型高效的磨料水射流切割机、系统参数、工艺参数以及磨料参数中的部分参数以达到喷嘴出口集束性好，扩散小，轴向速度大的水射流以及达到工件表面精度高、被加工材料微观结构合理的目标，是紧迫和必要的。因此我们提出了一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的水射流切割机，切割效率低，切割质量差，剩余水射流和磨料难收集的缺点，而提出的一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，包括高压水箱，所述高压水箱内装有纯净水，纯净水底部伸入高压水管，高压水管延伸至高压水泵，高压水泵抽吸高压水箱中的纯净水从高压水管通过，逐步输送至液体流量计，蓄能器，最终进入红宝石喷嘴，红宝石喷嘴固定于水刀固定滑块，红宝石喷嘴进一步加压高压水泵抽吸来的纯净水形成高速水射流，水刀固定滑块滑动连接于水刀固定导轨安装架；包括磨料，所述磨料的顶部连接磨料输送管，磨料输送管的另一端连接磨料喷嘴，磨料喷嘴与红宝石喷嘴中间形成磨料混合腔，磨料与高速水射流在磨料混合腔中混合形成高速磨料水射流，高速磨料水射流切割位于喷嘴下方的待加工工件，待加工工件固定于收集器上方；包括高压气瓶，所述高压气瓶连接高压气管，高压气管穿过气体流量计通入磨料喷嘴。

优选的，所述水刀固定导轨安装架的支架上开设有滑槽，水刀固定滑块滑动连接在滑槽内。

优选的，所述收集器的支架上开设有凹槽，所述待加工工件放置于凹槽内。

优选的，所述收集器位于水刀数控导轨安装架下方，切割工件后的水射流和磨料进入收集器中，消耗射流剩余能量，保护工人和设备安全，保护环境。

优选的，所述混合腔的侧壁旁设有磨料添加口，所述磨料添加口的磨料流向与高速水射流的方向成30°~45°角。

优选的，所述高速磨料水射流的流向与待加工工件表面的法线成30°~45°角，喷嘴进给方向为高速磨料水射流先接触待加工工件底部。

本发明加工能力强，可用于各种金属、非金属及复合材料加工，适应性强无明显的工件材料选择性，并且可以切割传统加工难以完成的大厚度工件，切割全过程绿色环保，加工过程中无粉尘油污，并且加工产物便于回收和处理，加工介质为高速水，产生的热量和碎屑会被高速水冲走，因此不会产生热影响区，不会对材料产生热损伤，加工切削力小，加工方式为一个个磨粒对材料的微切削，不会产生加工后的机械应力且无后托量，能量转化效率高，能耗小，提高了设备性能和使用寿命，保障了操作人员的安全性。

附图说明

图1为本发明提出的一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种水射流喷嘴的结构示意图；

图3为本发明提出的一种水射流加工方法的示意图；

图4为本发明提出的一种收集器结构示意图；

图5为本发明提出的一种收集器中心线剖视结构示意图。

图中：1、水箱；2、纯净水；3、高压水管；4、高压水泵；5、液体流量计；6、蓄能器；7、红宝石喷嘴；8、水刀固定滑块；9、高速水射流；10、水刀固定导轨安装架；11、磨料；12、磨料输送管；13、磨料喷嘴；14、混合腔；15、磨料水射流；16、待加工工件；17、收集器；18、高压气瓶；19、高压气管；20、气体流量计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非别作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

参照图1-5，一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，包括高压水箱1，高压水箱1内装有纯净水2，纯净水2底部伸入高压水管3，高压水管3延伸至高压水泵4，所述高压水泵4抽吸高压水箱1中的纯净水2从高压水管3通过，逐步输送至液体流量计5，蓄能器6，最终进入红宝石喷嘴7，红宝石喷嘴7固定于水刀固定滑块8，红宝石喷嘴7进一步加压高压水泵4抽吸来的纯净水2形成高速水射流9，水刀固定滑块8滑动连接于水刀固定导轨安装架10；包括磨料11，磨料11的顶部连接磨料输送管12，磨料输送管12的另一端连接磨料喷嘴13，磨料喷嘴13与红宝石喷嘴7中间形成磨料混合腔14，磨料11与高速水射流9在磨料仓中混合形成高速磨料水射流15，高速磨料水射流15切割位于喷嘴下方的待加工工件16，所述待加工工件16固定于收集器17上方；包括高压气瓶18，高压气瓶18连接高压气管19，高压气管19穿过气体流量计20通入磨料喷嘴13。

本发明中，水刀固定导轨安装架10的支架上开设有滑槽，水刀固定滑块8滑动连接在滑槽内。

本发明中，所述收集器17位于水刀数控导轨安装架10下方，收集器17最上方有4条横杠，横杠上开设有凹槽，待加工工件16放置于凹槽内。横杠下有上下两层漏斗结构，切割工件后的水射流和磨料进入两层漏斗结构中便于消耗射流和磨料剩余能量，在重力作用下被收集起来，保护工人和设备安全，保护环境。

本发明中，红宝石喷嘴7流道为二级过渡式流道，能量转化率更高，混合腔的侧壁旁设有磨料添加口，磨料添加口的磨料流向与高速水射流的方向成30°~45°角，高速水射流能量在传给磨料时损失更小。

本发明中，高速磨料水射流15的流向与待加工工件表面的法线成30°~45°角，磨料喷嘴13进给方向为高速磨料水射流先接触待加工工件底部，能大大减小后托量的出现。

本发明中，在进行切割前要严格检查设备的密封性；待切割的工件进行材料硬度以及切割尺寸讨论，确定所需提供的水压和水流量，以及需要的气压和气量(气压进行连续射流)；调整好喷嘴入射角，将工件和水刀进行对刀，调整好各个流量计，确保水箱的水足够使用，检查蓄能器额定压力是否正常，检查磨料仓是否堵塞；先打开气体，使喷嘴内气体压力达到指定值，再打开高压水泵，使喷嘴射流能够产生连续射流，再打开磨料输送装置，开始进行切割，数控控制安装架上的滑块移动形成进给运动；切割完毕关闭磨料仓，防止磨料进入管路堵塞，水射流运行一会清理磨料，关掉高压水泵，调整流量计，关掉高压气泵进行泄压；检查工件是否已达到制造要求，将设备拿出检查，是否有脏污堵塞和管路泄漏，检查红宝石喷嘴的磨损情况，处理剩余射流和磨料，清理干净设备。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，包括高压水箱（1），其特征在于，所述高压水箱（1）内装有纯净水（2），所述纯净水（2）底部伸入高压水管（3），所述高压水管（3）延伸至高压水泵（4），所述高压水泵（4）抽吸高压水箱（1）中的纯净水（2）从高压水管（3）通过，逐步输送至液体流量计（5），蓄能器（6），最终进入红宝石喷嘴（7），所述红宝石喷嘴（7）固定于水刀固定滑块（8），所述红宝石喷嘴（7）进一步加压高压水泵（4）抽吸来的纯净水（2）形成高速水射流（9），所述水刀固定滑块（8）滑动连接于水刀固定导轨安装架（10）；包括磨料（11），其特征在于，所述磨料（11）的顶部连接磨料输送管（12），所述磨料输送管（12）的另一端连接磨料喷嘴（13），所述磨料喷嘴（13）与红宝石喷嘴（7）中间形成磨料混合腔（14），磨料（11）与高速水射流（9）在磨料仓中混合形成高速磨料水射流（15），所述高速磨料水射流（15）切割位于喷嘴下方的待加工工件（16），所述待加工工件（16）固定于收集器（17）上方；包括高压气瓶（18），其特征在于，所述高压气瓶（18）连接高压气管（19），所述高压气管（19）穿过气体流量计（20）通入磨料喷嘴（13）。

2.根据权利要求1所述的一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，其特征在于，所述水刀固定导轨安装架（10）的支架上开设有滑槽，所述水刀固定滑块（8）滑动连接在滑槽内。

3.根据权利要求1所述的一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，其特征在于，所述收集器（17）的支架上开设有凹槽，所述待加工工件（16）放置于凹槽内。

4.根据权利要求1所述一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，其特征在于，所述收集器（17）位于水刀数控导轨安装架（10）下方，切割工件后的水射流和磨料进入收集器（17）中，消耗射流剩余能量，保护工人和设备安全，保护环境。

5.根据权利要求1所述一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，其特征在于，所述混合腔（14）的侧壁旁设有磨料添加口，所述磨料添加口的磨料流向与高速水射流（9）的方向成30°~45°角。

6.根据权利要求1所述一种非淹没状态下高压磨料水射流切割装置，其特征在于，所述高速磨料水射流（15）的流向与待加工工件（16）表面的法线成30°~45°角，喷嘴进给方向为高速磨料水射流（15）先接触待加工工件底部。

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