CN1765582A - 高压磨料水射流切割头装置及混合管 - Google Patents

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王霄
刘会霞
丁圣银
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Abstract

本发明是基于现有磨料水射流切割喷嘴基础上重新设计出更高效的切割喷嘴和混合管。本发明在喷嘴头基座内部设置混合腔，并在喷嘴头基座下端设计出圆锥体，另外在切割头上有出两个导向面，保证喷嘴体，喷嘴头及基座的同轴度，加上混合管下端的锥形锁紧机构，方便于调节使混合管与喷嘴头成同轴关系，具有更高的同轴度，经实验证明使用这样的喷嘴和混合管拆卸方便，经济，可以节省10％～20％的能量消耗，切割效率高，质量好，切速快，割缝小，发热少，切深大等优点。

Description

高压磨料水射流切割头装置及混合管
技术领域
本发明涉及超高压磨料水射流切割技术领域，特指高压磨料水射流切割喷嘴及混合管。此种类型切割喷嘴装置广泛用于机械，电子，航空，医疗，船舶，农业等领域，用于高速切割较厚的钢板，石料，合金，布匹，塑料等，特别可用于对热敏感的特殊材料的切割和特殊环境的作业，如水下切割，核工业。其发热少，切缝小，切深大，无噪音等环境污染。
背景技术
磨料水射流切割是20世纪70年代刚刚发芽的一项切割技术，1983年美国人发明了首台磨料水射流切割机。众所周知，将石英砂，金刚砂，或者其他磨料加入到水射流中去，会产生更大的切割力，增强切割效果。整个切割系统中(包括供水系统，增压系统，切割头，收集器，控制系统)，影响切割质量和切割效率的最重要的部分就是切割头部分，在超高压水射流切割过程中，特别是加工精度要求非常高时，切割头装置对水射流，混合管，喷嘴头的同轴度要求更高，同轴度差时，会使管壁磨损加大，能量损失加大，磨粒与管壁的碰撞加剧，产生回流现象。目前国内解决这些问题的技术领域还是空白，国外切割头也存在三大问题：1，整个切割喷嘴装置没有很高的同轴度。2，混合管的结构简单，损耗能量大。3，混合管中心轴线校准很难，拆卸替换不方便。比如，专利号为us6119964，us6012653，us5527204，us2176577，等等提到的磨料水射流切割喷嘴和混合管都存在着以上缺陷。
发明内容
本发明目的是解决现有国内外的切割头普遍存在的问题，即同轴度不高，能量损耗大，拆卸不方便等缺陷。
一种高压磨料水射流切割头装置，主要由喷嘴体、切割头，喷嘴头，喷嘴头基座，混合管组成。改进了喷嘴头下部的喷嘴头基座部分，混合腔位置，混合管形状，以及琐紧方式，其特征在于：在喷嘴体和切割头连接处设计了两个导向面；增加了锥形开口钢套，锥形开口钢套位于拧紧螺栓和混合管之间；喷嘴头基座下部为锥形体，锥形体夹角α角为55°～80°之间，与切割头内壁相配合；混合腔位于喷嘴头基座内部；在喷嘴头基座侧面有磨料入口通道，入口通道的轴线与喷嘴体的内部轴线成45°到60°的角度，磨料入口通道与磨料入口头相连，二者因销定位，切割头的外斜面与磨料入口通道轴线成垂直关系。
本发明还列举出几种形式的混合管，有矩形混合管和偏心混合管，便于不同生产环境和生产要求的需求。替换方便，节省时间，效率也很高，切割工件质量也很好。
一种矩形混合管，其特征在于：矩形截面的长宽比在2∶1～2.5∶1之间
一种偏心混合管，其特征在于：射流通道的偏斜角度在2°到8°之间。
附图说明：
图1本高压磨料水射流切割头装置的整体剖视图
图2喷嘴基座剖视图
图3外周圆是弧形体的喷嘴头
图4外周圆是斜坡形体的喷嘴头
图5喷嘴体剖视图
图6切割头的剖视图
图7和图8分别是截面为圆形直通道的混合管图
图9，图10和图11分别是截面为矩形的混合管图示
图12，图13和图14为截面是偏心圆通道的混合管。
1喷嘴体；2切割头；3螺纹；4键槽；5销；6磨料入口头；7键槽；8磨料入口通道；9磨料入口通道；10密封圈；11锥形开口钢套；12拧紧螺栓；13混合管；14混合管通道；15出口；16第一导向面；17第二导向面；18喷嘴头；19喷嘴头基座；20螺纹；21水射流通道；22水射流如口；23销；24基座下腔内表面；25基座下腔；26密封钢圈；27基座上部槽内圆壁；28通气孔；29混合腔；30基座通道上口；31螺纹；32键槽；33通气孔；34锥形面
具体实施方式：
本发明是将喷嘴头基座(19)先插入切割头(2)，由基座(19)下端锥形体与切割头(2)的锥形面(34)相接触，并且(51)和(52)长度的比值在0.2～0.47之间，加上基座(19)外周表面与切割头内表面配合保证固定效果；通过键槽(4)和销(23)固定圆周方向的自由度，以基座(19)上的通孔(28)与切割头上的通孔(33)是否正对来确定基座的定位效果。
将喷嘴体(1)插入切割头(2)内，由螺纹(3)拧紧，由两个导向面来使喷嘴体(1)的内管轴线与喷嘴头(18)的通道上口(30)的轴线在同一直线上。并由喷嘴体(1)来顶住基座(19)使其轴向自由度受到限制。
喷嘴头(18)由密封钢圈(26)固定。
混合管(13)插入基座下腔(25)，由密封圈(10)作用来防止泄漏；由锥形开口钢套(11)顶住密封圈(10)，下部由锥形拧紧螺栓(12)依靠螺纹(20)固定混合管(13)。
切割头(2)外周围放置磨料入口头(6)处，磨料入口通道(8)的轴线与喷嘴体(2)的内部轴线成50°的角度，切割头(2)的外斜面与磨料入口通道(8)轴线成垂直关系，便于磨料入口头(6)的固定，比如可在外部设计螺栓锁紧机构。
水射流从喷嘴体的水射流通道进入，经喷嘴头(18)加速与磨粒在混合腔混合，进入混合管对磨粒进行加速，可以达到超音速切割的效果。因为同轴度较高，可以进行超精密切割。
目前，二相流体切割领域应用最广泛的就是图7和图8圆形非偏心混合管。此管加工简便，射流稳定，但是从能量损失角度看，用矩形管射流混合管更能减少能量的消耗，而切割质量和切割速度，切深毫不逊色与圆形射流混合管。
从能量消耗的角度看待切割过程，经过理论分析，得出：不同形状的混合管的能量损耗是不同的，这里给出一种新型混合管，即矩形混合管。理想中的矩形混合管其收敛面类似于外圆内方(长方形)的特殊曲面，其制造工艺复杂，此处用锥形收敛形式，如图9，10和11。实验用混合管孔当量直径取2种：d1＝1.30mm，d2＝1.42mm，每种当量直径又包括一种圆混合管和4种不同长宽比的矩形混合管，共10种规格，长宽比为2.0∶1，2.5∶1，3.0∶1，3.5∶1，矩形混合管进给方向是沿着矩形截面长方形的长度方向进给的。
以下是对比实验数据：
表1是射流的出口宽度，切缝宽度和切割深度表
可以看出采用矩形混合管能量可节约10％～20％左右，采用长宽比为2.0∶
  功率参数                        切割深度(mm)                                            切割宽度(mm)
  圆射流                  矩形射流长度比       圆射流                                  矩形射流长宽比
       2∶1       2.5∶1        3∶1        3.5∶1
2∶1 2.5∶1 3∶1 3.5∶1   出口宽度   切缝宽度   出口宽度   切缝宽度   出口宽度   切缝宽度   出口宽度   切缝宽度   出口宽度   切缝宽度
  驱动功率3.73(kw)   d1＝1.30mmp1＝16Mpa 9.51 11.75 11.75 9.95 11.40   1.3   1.8   0.80   1.47   0.72   1.46   0.66   1.45   0.61   1.40
d1＝1.42mmp1＝14.22Mpa 8.79 9.40 9.50 9.50 8.50 1.42 1.95 0.89 1.59 0.79 1.56 0.72 1.55 0.67 1.49
1～2.5∶1范围的混合管时，射流结构，稳定性，切割综合性能较好。
图12，13，14是偏心混合管，虽然其轴线偏心，会损失能量，但是可以使混合流中集中在混合管内壁的磨粒再次与混合流混合，使磨粒再次加速，达到更为均匀的混合流，切割效果更好。

Claims (5)

1、一种高压磨料水射流切割头装置，主要由喷嘴体(1)、切割头(2)，喷嘴头(18)，喷嘴头基座(19)，混合管(13)组成，其特征在于：增加了锥形开口钢套(11)，锥形开口钢套位于拧紧螺栓(12)和混合管(13)之间；喷嘴头基座(19)下部为锥形体，锥形体夹角α角为55°～80°之间，与切割头(2)内壁相配合，混合腔(29)位于喷嘴头基座(19)内部。
2、根据权利要求1所示的一种高压磨料水射流切割头装置，其特征在于：在喷嘴体(1)和切割头(2)连接处设计了两个导向面(16)(17)。
3、根据权利要求1所示的一种高压磨料水射流切割头装置，其特征在于：在喷嘴头基座(18)侧面有磨料入口通道(8)，入口通道(8)的轴线与喷嘴体(1)的内部轴线成45°到60°的角度，磨料入口通道(8)与磨料入口头(6)相连，二者因销定位，切割头(2)的外斜面与磨料入口通道(8)轴线成垂直关系。
4、一种用于高压磨料水射流切割头的矩形混合管，其特征在于：矩形截面的长宽比在2∶1～2.5∶1之间。
5、一种用于高压磨料水射流切割头的偏心混合管，其特征在于：射流通道的偏斜角度在2°到8°之间。
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