CN86101567A - 磨料流体射束切割系统的喷嘴装置 - Google Patents

Abstract

流体射束切割系统的喷嘴装置，包括第一本体，可拆卸地安装在高压喷嘴上，有第一通孔与混合区及喷口连通；和混合区连通的磨料通孔，把磨料导入混合区，喷嘴产生的高速流体射束，沿轴向通道穿过混合区。还包括第二本体，其第二通孔上装有管状芯棒，芯棒上的通道和混合区连通，使磨料射束沿轴向的第二流体通道排出。本发明的调节装置使高速流束和排出通道同轴对中和/或校准。芯棒近侧外周有磨料堆积槽，在产生磨料射束时形成磨料保护垫层。

Description

本发明涉及一种利用高速体射束来切割材料的方法和器械。更准确地说，本发明涉及一种产生含有磨料粒子的流体射束的方法和器械。

利用高速流体射束进行切割的技术是众所周知的。一般，诸如水的流体在高达55000磅每平方英寸的压力下被压经过直径为0.003至0.030英寸的宝石喷嘴时，就会产生其流速高达三倍音速的射束。这样产生的射束可以用来切割各种各样的金属和非金属材料，诸如钢、铝、纸张、橡胶、塑料、克氟拉（Kevlar），石墨和粮食制品等。

为了增大流体射束的切割能量，把研磨材料加入到射流中去以产生一种所谓的“磨料射束”。磨料射束被用来有效地切割各种各样的材料，从特别坚硬的材料（诸如工具钢、铝、铸铁、装甲板，某些陶瓷制品和防弹玻璃等）到软的材料（如铅等）。常用的研磨材料包括有金钢砂、硅石和氧化铝，其磨拉尺寸为30号至120号。

磨料一般从形成射束喷嘴的喷嘴口加入到流体的下游中去。在实践中，含有混合区域的一个磨料射束壳体被安装在流体射束喷嘴上，以使射束穿过混合区域并从壳体的远端排出。磨料射束壳体通常称之为混合喷嘴，并作为附件安装在流体射束喷嘴上。流体射束喷嘴还被称为“高压”喷嘴。

磨料一般借助于磨料输送管从接近的给料器提供到混合区，输送管通过磨料射束壳体中的导管和流体射束保持流体连通。给料器中的在大气压力下的磨料，根据文杜里效应被流动流体周围的低压区域吸入到流体射束中去。在运行中，已经发现流量为0.5-3.0磅/分钟的研磨材料能产生适当的磨料流束。因此，研磨材料从给料器通过电磁阀和混合区域连接，该电磁阀用以调节进入射束的研磨材料流率。

磨料射束流过混合区域以后，从混合区通过输出通道排出。为了使混合喷嘴的寿命达到最长，迫切需要使磨料射束和混合喷嘴成一直线。通常，如果混合喷嘴的内流体通道和磨料射束不保持同轴，混合喷嘴就会迅速磨损而失效。因为通过磨料射束壳体的流体通道有几英寸长，极小的对准性误差（例如垂直度超出千分之几十英寸）就足以使混合喷嘴过早地损坏。

同轴度和直线度由于多种原因很难达到。首先，高压喷嘴中宝石的缺陷引起流体射束比正常情况有不同量的偏离。其次宝石在其座内的安装不容易精确，使流体射束从其理论通道上进一步偏离。再者，流体射束喷嘴和磨料射束喷嘴的正常的制造公差会在流体射束通道和磨料射束壳体所确定的通道之间产生些许偏差。过去，试图通过把混合喷嘴的内径相对于流体射束的直径来说做得大得多，减少射束碰撞喷嘴的内表面的机会，以此来解决直线性的问题。但是已经发现，这种喷嘴的切割性能的效率是很低的。

因此，迫切需要提供某些调节形式，使得流体射束（同时也是磨料射束）和磨料射束喷嘴的内流体通道保持同轴。另外，调节过程必须足够快和简单，以在实践领域的条件下完成直线对齐，因为在实际条件下，简单和速度是重要的。

本发明的目标是提供这种调节的方法和器械，特别地描述了一种用于流体射束切割器械的混合喷嘴，该类型的流体射束切割器械包含有高压流体源，具有喷口的高速喷嘴（上述流体被导向成高速流体切割射束），以及把流体从上述高压流体源传送到喷口的导管。

混合喷嘴包括具有内混合区的壳体。该壳体包含一个上体部分，它可拆卸地安装在高压喷嘴上，具有绕第一轴线配置的第一导管装置，把混合区和高压喷嘴口连通。壳体还包含绕第二轴线的第二导管装置，其一端和混合区连通，其另一端适合于和磨料源连接。

壳体还包含有第二体部分，其上有绕第三轴线配置的第三导管装置，其一端和混合区过通，其另一端排出高压的流体-磨料混合物。第二体部分的安装，可相对于上体部分移动，使第一和第三导管装置同轴对齐，因此第三导管装置一般都和流体射束保持同轴。

喷嘴装置另外还包括有紧固装置，用于可拆卸地把上体部分和第二体部分固定住，避免其相对运动。

因为混合喷嘴在实践领域里很容易对齐，喷嘴上可装上可拆卸的芯棒，限定磨料射束的输出通道。由于输出通道最易受损坏，在可迅速对正的混合喷嘴里装上芯棒，就可大大减少停机时间。

本发明的另一方面，混合喷嘴的内部组件在磨料射束运行期间，其上复盖有堆积磨料粒子的保护层。准确地说，在磨料射束喷嘴近侧端周围形成有磨料聚集槽，用于缓冲喷嘴和周围区域，使之不受不对正的喷射。本发明的进一步细节将在下面对最佳实施方案及其附图作详细描述。

唯一的图是按照本发明制造的磨料射束喷嘴装置的剖视图。

唯一的图是按照本发明制造的一种磨料射束混合喷嘴的剖视图。图示的喷嘴10包含有一个上体部分，它以凸缘12的形式出现，可拆卸地安装在高压喷嘴上。喷嘴10还包含有一个下体部分14。

术语“上”和“下”用来和附图一致，尽管那些技术人员都懂得，这种空间关系对于本发明的实践来说不是需要的。另外，术语“远侧的”和“近侧的”在整个说明书中都用来表示所指定的另件相对于流体流动方向的关系，即分别是上游的或下游的。

凸缘12的外表面16有周边部分166和轴向伸出的中央区域，即毂16a，毂围绕有内螺纹孔20。孔20绕轴线22配置，其尺寸大小可以和高速流体射束喷嘴上的外螺纹啮合。当凸缘12拧紧到流体射束喷嘴上时，内螺纹孔20的尺寸和内螺纹的位置还应该使得高速流体射束喷嘴的喷口位于内螺纹孔20的底部。流体射束喷嘴喷口的理想位置用标号23来表示。

流体通道24从第一孔20向远侧延伸，穿过凸缘12的内表面18。通道24的轴线和第一孔20的轴线成一直线，由此和流体射束成一直线。通道24一般和流体射束同轴，其尺寸加工成可以包围流体射束而不受其冲撞。

凸缘12的内表面18包含有周边部分18a和轴向伸出的中心区18b。弧形过渡表面18c从周边区向中心区延伸。基于下面会变得更清楚的原因，要使弧形表面绕一旋转中心成形，该旋转中心一般和高压喷嘴口的位置23重合。

凸缘12和下体部分14以球窝状配合连接在一起。因此，下体部分的上表面包含有环形周边部分36，后者确定了轴向凹入的中心区34的范围。锥形过渡表面38一般从周边区域向内向下延伸到凹入区。凹入区34，延伸区18b，和过渡区18c，38构成一个“球窝”状配合，允许下体部分14相对于凸缘12作角状移动。

下体部分14一般包含有轴向延伸的中心孔50，中心孔有较大直径的部分30，它和上表面32的凹入部分34连通。硬钢或硬质合金套筒40装配在部分30内，套筒的内径在磨料射束切割系统运行时足以包围流体射束。

套筒40内提供了一个混合区，在这里，从给料器之类的料源来的磨料粒子就夹带到流体射束中去。因此，下体部分14有一个通常是径向延伸的磨料导引通道42，把套筒40内的混合区和磨料源连接起来。通道42的内端42a和套筒40的侧壁上形成的通孔相通，而通道42的外端42b适合于和给料器的供给管相连接。

利用伯努利原理，即流动流体周围产生低压区，可以把磨料吸入流体射束中去。虽然给料器中的磨料处于大气压力下，当流体射束流过套筒40时，在混合区中的压力基本上低于大气压力。造成的压力差使磨料流过通道42进入混合区。

弹性材料垫片26，例如八分之一英寸厚的橡胶垫圈，对低压混合区进行密封，防止从凸缘12和下体部分14之间的接合面区域可能产生的泄漏。垫片26置于轴向伸出区18b和轴向凹入区34之间，它一般还包含一个中心通孔28，通孔和轴线22轴向成一直线，并加工成一定尺寸，以包围流体射束而不受其冲撞。

通孔50的下段通常容纳一个环形截面的长硬质合金芯棒52。芯棒52有一个排出磨料射束的通道54。

在理想运行时，流体射束从孔20内的高压喷咀口轴向流过垫片26的通孔28，进入套筒40内的混合区，在这里流动流体周围的低压区使得从通道42来的磨料粒子和流体射束混合起来。

由此产生的磨料射束再轴向流过芯棒52的通道54，并从芯棒52的远侧端排出，以切割置于混合喷咀10底下的材料。

实际上，长两英寸外径0.250英寸的硬质合金芯棒已经被使用。通常，芯棒的内径应该是磨料外径的两倍与流体射束外径的和。当和直径为0.018英寸的高压喷咀一起使用时，已经发现具有0.062英寸内径的芯棒和60号粒度的磨料一起使用是最有利的。当和直径为0.013英寸的高压喷咀一起使用时，内径为0.040英寸的芯棒配以80号粒度磨料会产生最佳的结果。

正如前面所述，最好是芯棒52的通道54和流体射束保持同轴，以避免切割射束对芯棒内壁的一个区域连续和破坏性的冲撞。在实践中人们已经发现不成一直线的射束将对初始的圆形通道54造成磨损形状的横截面。从而使切割效率有所损失。相反，成一直线的切割射束在最坏情况下只是引起芯棒的内径比较缓慢和均匀的扩大。因为在芯棒的内径显著扩大以前，由于匀称扩大造成的射束的相干作用没有有害影响，切割效率不会迅速和显著地降低。

因此，图示的装置提供了对磨料射束通道54的角形调节，使之与沿着轴线22的水流射束保持同轴对齐。在下体部分上表面的周边沿着圆周配置有若干个定位销64。销子64一般从下体部分平行于轴线22延伸，穿过凸缘的配合孔66。这些孔各个绕其平行于轴线22的各自轴线配置。销子64穿过通常是环形的密封垫片68，该垫片置于凸缘12和下体部分14之间，以避免外界物质从凸缘和下体部分之间侵入。垫片68可以很方便地采用八分之一英寸厚的橡胶软垫或泡沫状尿烷的软垫，后者的密度是20磅/英尺³，并且在15-23磅/英寸²下的挠度是25%。

通过使定位销64和相应的配合孔66对齐，可以把凸缘12和下体部分14装配在一起。当凸缘和下体部分装配在一起时，由于销子和孔是以大约0.002英寸的间隙紧密配合，销子和孔保持同轴。由此，轴线22一般都和销子64的轴线65平行，从而，一般也和穿过混合区的轴线平行。在实践中发现，绕轴线22互相间隔120°的三个销子已经足够。

接着，对通道54和流体射束进入的通道24之间的任何存在的不同轴度进行调节。三个调节螺丝70在凸缘周边绕圆周配置，间隔120°。螺丝70穿过凸缘上的配合通孔和环形密封垫片68，并拧入下体部分14上成形的螺纹孔74内。

同轴度的细调是通过有选择地拧紧或拧松螺丝。例如，拧紧图示的调节螺丝引起左侧的凸缘12和下体部分14两者都被挤压在一起，导至磨料射束喷咀中通道54以顺时针方向作角位移。因此，凸缘下表面上的弧形过渡面18c以球窝接合的方式在下体部分14的锥形过渡面38上滚动。因为上过渡面18c的圆弧的旋转中心和高压喷咀口重合，当调节螺丝被拧紧或拧松时，下体部分14基本上绕该中心转动。

稍微拧紧或拧松螺丝70，就可以使通道54在三维空间上和流体射束同轴。当新的宝石插入到高压喷咀中时，就要重复进行磨料射束喷咀的对中性。

穿过硬质合金芯棒52的通道沿着其长度上要和芯棒外壁同轴，在需要替换芯棒时以保证其互换性。

相应地，具体装置的配置要使芯棒52沿着下体部分14内的孔50轴向向上滑入，直到其近侧端52a和从套筒40的内壁伸出的径向伸出销56接触为止。用另一种方法，销子56可以省略掉，而芯棒的端部52a可以简单地插入，直到它接触套筒肩为止。通常是夹头状的装置，诸如有缝夹套58，沿着芯棒向上滑并和第三孔50远侧端上的向内的锥形孔51相接合。夹套58的底面58a又和一个内螺纹套环60a的内表面接合，而套环被拧到下体部分14向下伸出的外螺纹颈62上。由于套环60被拧到颈62上，套环58的抓手58b靠着向内的锥壁59所限定的愈加狭窄的空间的作用越来越压紧芯棒52。那些技术人员一定会懂得，简单的把套环60拧松，把旧芯棒52卸下，并如上所述插入新芯棒52，就可以很方便地把芯棒更换下来。

上体部分和下体部分之间的球窝型配合以及紧固螺丝70可以防止射束和通道54在运行时不对中。

按照本发明的另一方面，在套筒40内低于伸出销的部分设置一个加大的孔，就可在芯棒52的近侧端围绕芯棒形成一个环形槽76。由此，环形槽是由芯棒的外径和套筒的内径之间所限定。这两个表面之间的间隔为八分之一到四分之一英寸是适宜的。磨料射束运行时，磨料粒子在环形槽内积聚，形成一个防护层，它保护套筒40和芯棒52不受磨蚀。

尽管上文的叙述包含了详细的资料，它使技术人员可以实施本发明，还应该认识到这种叙述是说明性的，对那些技术人员来说，利用这些知识可以进行许多改进和变化。例如，定位销64和螺丝70的功能可以利用螺柱来结合起来。

因此，企图使本发明只由附加的权利要求书所限定，而权利要求被理解为根据先有技术所允许的尽量宽的范围。

Claims (22)

1、用于流体射束切割器械的一种产生磨料流体射束的喷嘴装置，该类型的切割器械包含有高压流体源，通过其喷口将上述流体导流成高速流体切割射束的高速喷嘴，和将流体从上述流体源输送到喷口的导管，其特征在于喷嘴装置包括：

具有内混合区的本体，并包含有

(a).第一本体部分，它可拆卸地安装在高压喷嘴上，并包含有第一导管，和混合区及喷口保持流体连通，

(b).磨料导管，其一端和混合区形成流体连通，其另一端和磨料源连通，

(c).第二本体部分，它包含有第二导管，其一端和混合区连通，而其另一端排出高压的流体/磨料混合物射束，第二本体部分的安装使其能相对于第一本体部分移动而使第一和第二导管形成一直线，

(d).紧固装置，它可拆卸地将第一和第二本体部分固紧，阻止其相对运动。

2、权利要求1的装置，它包含有使第二本体部分相对于第一本体部分移动的装置，当喷嘴装置安装在高速喷嘴上时，可使第二导管的排出端绕大致位于高速喷口处的一中心点转动。

3、权利要求1或2的装置，它包含有处于第一和第二本体部分中间的球窝表面限定装置，使第二本体部分在第一本体部分上导向，从而使得和混合区相邻的第一和第二导管端部可相互转动而成一直线。

4、权利要求1的装置，其中第一导管绕第一轴线配置，而第一本体部分包含有一远侧面，其周边区和轴向伸出中心区绕第一轴线配置，而第二本体部分一般包含有相应形状的近侧面，和第一本体部分的近侧面保持间隔的关系，该装置还包含绕第一轴线配置的装置，可调地改变上述近侧面和远侧面的选择的区域之间的空间关系。

5、权利要求4的装置，其中可调节的改变空间装置包含有若干螺丝，它们穿过第一本体部分，向第二本体部分延伸，而对相互转动起作用的螺纹啮合装置，在两个本体部分之间，逐渐改变所施加的空间调节力。

6、权利要求4的装置，其中第一本体部分的轴向伸出区和第二本体部分的相容区分别包含第一和第二接触表面，接触表面沿着接触线相互接合，在改变两个本体部分的空间关系时，可以导引两本体的相互运动。

7、权利要求6的装置，其中第一接触表面的形状，在该装置被安装在喷嘴上时，可使第二本体部分作弧形运动，而其转动中心大致在高压喷嘴口处。

8、权利要求4或6的装置，其中可调节的改变空间装置包含有若干螺丝，它们穿过第一本体部分，向第二本体部分延伸，而对相互转动起作用的螺纹啮合装置，在两个本体部分之间逐渐改变所施加的空间调节力。

9、权利要求1、4或6的装置，它包含有若干个销子构件，它们从两个本体部分之一向另一个延伸，上述另一个本体部分上有若干个高精度公差的配合孔，其尺寸大小可容纳销子，由此在两本体部分之间形成一个初始的空间关系，两本体部分使两导管接近成一直线。

10、权利要求1的装置，一般包含有管状的芯棒，它置于第二导管内，其近侧端和混合区成流体连通，还包含有把芯棒可折卸的固定在第二导管内的装置。

11、权利要求10的装置，它包含阻挡构件，一般横向于管状芯棒延伸，其位置在芯棒导入端接近混合区时使其和芯棒接触，起限制插入的作用。

12、权利要求10的装置，其中第二导管包含有在远侧设置向远侧扩张的侧壁区，侧壁区包围芯棒，该装置还包含有通常是环状的多抓手夹头，利用其抓手围绕芯棒而安装在芯棒上，使夹头的尺寸初始时松弛地围绕芯棒并可滑动地和侧壁区接合，于是其抓手借助于侧壁区的收敛越来越向里压，该装置还有连接装置，沿着缩小的侧壁推压夹头以使抓手对芯棒施加夹持力。

13、权利要求12的装置，其中第二本体部分在靠近其远侧端加工有外螺纹，而连接装置通常包含有环形的，具有内螺纹的套环，可拧在上述远侧端并沿着收缩的侧壁推压夹头。

14、用于溶体射束切割器械的一种产生磨料流体射束的喷嘴装置，该类型的切割器械包含有高压流体源，通过其喷口将上述流体导流成高速流体切割射束的高速喷嘴，和将流体从上述流体源输送到喷口的导管，其特征在于喷嘴装置包括：

（a）.一般是轴向延伸的本体，它具有混合区，并由若干个可相对移动的通常是轴向延伸的本体部分所构成，

（b）.位于其中一个本体部分内用于沿射束轴线产生高压流体射束的装置，

（c）.和混合区及射束产生装置流体连通的第一导管，

（d）.第二导管，它和混合区流体连通，并适合于和磨料源连通，

（e）.位于另一个本体部分的输出导管，它和混合区连通，并把高压流体/磨料混合物射束从本体排出，

（f）.使各本体部分产生可调节的相对移动从而使第一导管和输出导管精确地成一直线的装置。

15、第一本体部分具有容纳喷嘴孔，可在孔内牢固地固定喷嘴，第一本体部分还有和上述孔连通的流体通道，使高压流体射束流过第一本体部分，

第二本体部分具有第二导管，它安装在第一本体上，使第一和第二导管通常轴地保持流体的连通，

两个本体部分的其中一个具有第三导管可在该装置的混合区内和第一及第二导管保持流体的连通，第三导管从第一和第二导管向外延伸，把混合区和磨料源连接起来，

定位装置，用于在该装置开始装置时，使第二导管和第一导管大致成一直线，

调节装置，用来使第一和第二导管基本上成一直线。

16、权利要求15的装置，其中定位装置包含有若干个定位销状构件，它们径向离开孔轴线并绕孔轴线配置，销状构件固定到两个本体部分的其中一个上，

该装置的两个本体部分中的另一个包含有容纳销状构件的装置，使第一和第二导管大致上成一直线。

17、权利要求16的装置，其中销状构件容纳装置包含有在上述另一个本体部分上形成的销状构件容纳孔。

18、权利要求17的装置，其中销状构件和孔的精密公差大致为0.002英寸。

19、权利要求15的装置，其中调节装置包含有若干个螺纹轴，穿过其中一个本体部分，并至少部分穿过另一个本体部分，各轴径向离开孔轴线并绕孔轴线配置，

置于两个本体部分之间的弹性可压缩的结构件，

若干个限定螺纹孔部分被配置来和轴形成螺纹啮合，限定螺纹孔部分可调节地固紧在相应的轴上，通过改变两个本体部分之间的空间关系使第一和第二导管基本上成一直线。

20、权利要求15或19的装置，其中，第一本体部分有一个围绕第一导管的远侧端的远侧面部分，该远侧面部分有弧形表面，

其中，第二本体部分有一个围绕第二导管的近侧端的近侧面部分，用来支撑第一本体部分的远侧面部分。

21、权利要求20的装置，其中远侧面部分的弧形表面的旋转中心一般位于喷嘴口处。

22、用于流体射束切割器械的一种产生磨料流体射束的喷嘴装置，该类型的切割器械包含有高压流体源，通过其喷口将上述流体导流成高速流体切割射束的高速喷嘴，和将流体从上述流体源输送到喷口的导管，其特征在于该喷嘴装置包括：

具有近侧面和远侧面的壳体，连通这两面的第一通道，在混合区和第一通道连通，并由此向外延伸，把第一通道和磨料源连接起来的第二通道，

通常是细长的管状芯棒，位于第一通道内，并从混合区向远侧延伸，形成了磨料射束通道，

限定磨料堆积槽的装置，围绕在芯棒近侧的外表面，以便在产生磨料射束时，在那里堆积有磨料保护垫层。

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