CN86101568A - 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，包括一个具有内混合区(20)的本体(10)；限定第一孔口的装置(14，23，15，17，27，21)，引导高速流体射束沿着轴向延伸的通道流动，并流过混合区；和混合区连通的导管(18)，适于从磨料添把磨料导引到混合区内；和混合区连通的第二导管装置，可沿着轴向延伸的第二流体通道把磨料射束排出。本发明提供了调节装置(22)，使高速流体射束(26)和第二导管装置同轴对中和/或校正其对中性。

Description

本发明涉及一种利用高速流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。这样的一种系统在第4，216，906号美国专利中有所叙述。特此引用其内容。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为0.003至0.030英寸的小孔时，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“磨料水注”。磨料水注被用来有效地切割各种的材料，从特别坚硬的材料（诸如工具钢，装甲板，铝，铸铁，某些陶瓷制品和防弹玻璃等）到软的材料（如铝等）。常用的研磨材料包括有金刚砂，硅石和氧化铝，其磨粒尺寸为16号或40号。磨料一般从喷嘴口加入到流体的下游中去，以减小形成射束的喷嘴的损坏。在实践中，含有混合区域的一个磨料水注壳体被安装在流体射束喷嘴上，以使射束穿过混合区并从壳体的远端排出。磨料水注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。流体射束喷嘴通常还被称为“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给混合区，输送管通过磨料水注壳体中的导管和流体射束保持流体连通。根据文杜里效应，磨料从供应管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0.1-6.0磅/分钟的研磨材料能产生适当的磨料水注，作为各种各样的用途。因此，研磨材料从给料器通过控制阀和混合区域连接，该控制阀用以调节进入射束的研磨材料的流率。

磨料水注流过混合区域以后，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同轴，混合喷嘴就会迅速磨损而失效。另外，不对正的射束，其一部分能量消散在混合喷嘴内，切割能力就会降低。

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）就足以导致切割性能降低并使混合喷嘴过早地损坏。

其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，宝石在高压喷嘴体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，磨料射束喷嘴的各个组件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好多，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，使得流体射束和混合喷嘴的内流体通道保持同轴。另外，调节过程必须足够的简单，用以在实践场合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些调节的方法和器械，特别地描述了一种用于流体射束切割器械的喷嘴总成，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嘴的导管。

改进的喷嘴总成包括本体，本体上有一个内混合区;有第一喷口限定装置，用来导引高速流体射束沿着一般是轴向延伸的通道和穿过混合区;有导管装置和混合区连通并适合于把磨料从料源导引到混合区;有第二喷口限定装置，它和混合区连通，从混合区接受载磨料射束并沿着第二轴向延伸流体通道把装载磨料射束排出;还有调节装置，使第一和第二喷口同轴对正。

因为喷嘴总成在实践场合里很容易对齐，它可以装上可拆卸的芯棒，限定磨料射束的输出通道。由于输送通道是最易受损坏的另件，在可迅速对正的喷嘴总成里装上芯棒，就可以大大减少停机时间。

本发明的进一步细节在下面对最佳实施方案及其附图的详细描述中会更加清楚。

附图中：

图1是按照本发明设计的磨料射束喷嘴总成的剖视图。

图2-4是按照本发明设计的磨料射束喷嘴总成的各变型实施方案的剖视图。

图1是按照本发明制造的磨料射束喷嘴的简略剖视图。该总成包含有主体10，上面有轴向延伸的通孔12。孔12的上端或近侧端的尺寸可容纳高压射束喷嘴的本体14。孔12的下端或远侧端的尺寸通常可容纳管状芯棒16，芯棒是由硬钢或硬质合金构成的，一般具有圆形截面。

磨料导引孔18一般在本体10内沿径向延伸，把磨料源（图中未示）和孔12内的混合区20连接起来。混合区20位于喷嘴本体14的远侧端和芯棒16的近侧端之间。

术语“运侧的”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，即分别是指上游的或下游的。另外，某些另件在参照附图进行叙述时，被称为在其他另件的上方或下方。尽管普通技术人员都懂得，这种空间关系对于本发明的实践来说并不是需要的。

喷嘴本体14用一对对置的固定螺钉22来夹持，螺钉一般在主体的上部沿径向延伸。螺钉22的顶端和喷嘴体14的外部接触，从两面对喷嘴体14施加径向力，防止本体14在主体10内的轴向移动和转动。

混合区20用一对轴向间隔一定距离的塑料O形环24，42来和大气隔离。近侧放置的O形环24牢固地围绕喷嘴体14安装，并安放在孔12侧壁上的环形槽内，因此，当固定螺丝22松动时还可限制喷嘴的移动。另一个O形环42牢固地绕芯棒42安装，它本身又用螺母30固定到总成上，这在下面叙述。

喷嘴体14内的另件包含有宝石件15，例如篮宝石，具有把压缩流体压迫形成水注的中心喷口。宝石件15安装在座17内。座17靠拧紧到喷嘴体14远侧端上的固定螺帽21固定在喷嘴体内。压缩流体一般通过喷嘴体14内的轴向延伸的内通道23导流到喷口的近侧端即上游端。通道23在喷嘴体的远侧端终止，而在宝石15的远侧侧面上是一个锥面形状的锥口孔25。

宝石座17做成锥形截面，其锥形外部和锥口孔25的相容锥面配合。座17内有轴向通道27连通座的近侧和远侧面。座内通道被扩孔成锥形，以夹持宝石件，因此座内通道27和宝石上的喷口成一直线。

运行时，流体射束26从高压喷嘴体14的喷口喷出，轴向流过混合区和芯棒16的内通道28。当流体射束26流过混合区20时，流动流体周围的低压区引起磨料粒子从通道18进入，和流体射束混合，形成载磨料射束。因为混合区用O形环24，42和大气隔离，就会产生较高真空，基本上作用到磨料通道18上。

载磨料射束或单纯的磨料射束轴向流过芯棒16的内通道28，在芯棒的远侧端喷出，切割置于芯棒下方的材料。

在实践中，可以使用长约2至4英寸，外径为0.250至0.500英寸的硬质合金芯棒。一般来说，芯棒的内径最好等于磨料粒子直径的两倍和流体射束的外径之和。人们已经发现，当和直径为0.018的高压喷嘴口一起使用时，内径为0.050-0.060英寸的芯棒和80-60号粒度的磨料一起使用会产生最佳结果。而和直径为0.013的高压喷嘴口一起使用时，内径为0.040-0.050英寸的芯棒配以80-150号粒度的磨料是比较理想的。

迫切需要使芯棒16的通道28和水注26保持同轴，以避免射束对芯棒16的内壁的冲撞。然而，对中性误差有多方面的来源。例如，座17和喷嘴体锥口孔的锥形配合表面的不同轴度会造成对中性误差。对中的螺帽21的内面21a的缺陷会引起座17的不对中安装。另外，宝石座或宝石本身可能安装不准确，特别是在需要更换的场合更易发生。

因此，上述的总成提供了对芯棒通道28的调节装置，使之和射束26同轴对中，因此，把对中螺母30拧紧到主体10的颈32上。（主体10上有向下延伸的圆柱状的外螺纹颈32）螺母30包含有一个通孔34，使其上端的尺寸和颈32外接。使孔34下端的尺寸可包围芯棒16。

螺母30上通常有三个径向延伸的内螺纹孔，其上分别穿有螺丝38，螺丝38的前端40和芯棒16的外表面接触。螺丝38最好在螺母的圆周边上对称配置。孔34的尺寸稍微超过芯棒的外径，因此，有选择地把各引导螺丝端部40向前送进或抽回，就可以调节改变芯棒16在孔34内的横向位置和角度，对中装置还包含有如O形环42之类的装置用于在调节固定螺丝的时候使芯棒夹持在孔内。O形环42在颈32的端面和螺母内肩之间被压缩。O形环42围绕芯棒紧密配合，提供摩擦阻力防止芯棒的轴向移动。O形环是由弹性压缩材料构成的，可以根据调节螺丝的调节作用来适应芯棒的横向移动。

图2是本发明一个变型的实施方案的概略剖视图。其中和图1中的另件相类似的另件用类似的数字表示。在图2的实施方案中，高压喷嘴体14′包含有外径减小区42′，当喷嘴体14′放在主体10′内时，可以被紧固螺丝22′的前端所接触。

高压喷嘴14′内的产生水注喷口可以绕一转动点进行角状调节，该转动点最好位于喷口的中心。因此，芯棒和混合区可以相对转动，使之和高压喷嘴口准确对中。

因此，高压喷嘴体14′的远侧面通常做成球面形状，其曲率半径的中心位于限定喷口宝石的上游面上。喷嘴的远侧面起球窝状连接装置中球的作用。主体10′在混合区的近侧有一个导向表面，适合于和球面表面邻接。

图3是本发明的第三个变型的实施方案，它包含有上体部分100和下体部分102。上体部分包含有法兰状的周边部分118，其上有多个环状间隔一定距离的通孔120，分别和周边部分118的近侧面104和远侧面106相通。

上体部分的近侧面104通常有一个圆柱形的毂108，向着近侧方向轴向延伸，上面有孔110。孔110在上部112内加工有螺纹。位于孔110内大约半途位置的宝石件116上限定了一个喷口114。上体部分100的轴向远侧面122通常是球面形状。其转动曲率中心位于喷口114的中心。

孔110构成流体通道，在其近侧端112和高压流体源连接。当流体流过喷口114时它形成了高速流体射束。

下体部分102的中心通常包含有轴向通孔124。通孔包括有较大直径的近侧区126，较小直径的中区128，和中间直径的远侧区130。球形凹肩132限定了近侧区126和中区128的过度面。

通孔124的下部或远侧部130的尺寸应能容纳一个芯棒134。区130上加工有内螺纹，用来和芯棒134上的外螺纹啮合，要不然，也可采用如套环30（见图1）之类的对中机构。

上体部分100被装配到下体部分102上，使得中心毂件108在下体部分102的区126内贴合。下体部分102在其近侧端包含有法兰状的外周边136。在法兰状区域136的周边上配置了内螺纹孔138，当部分100和102装配时，使通孔138位于上体部分100的孔120之下。

把调节螺丝140穿过孔120，拧入孔138内。

当上体部分100的远侧面122和下体部分102的导向表面接触时，要使上体部分100的法兰状周边的位置和下体部分102的法兰状周边有一定的轴向间隔。

相对的两个法兰状周边118和136之间的间隔可以通过拧紧或拧松各个在周边配置的螺丝140来调节。

参照图3，就会清楚看出，拧紧左边的螺丝140就会减小左边两个法兰之间的间隔，随之引起上体部分100作逆时针方向转动。因为上体部分100逆时针方向转动，它绕其远侧面122转动，引起喷口114相对于芯棒134的内通道移动。通过有选择地拧紧或拧松各调节螺丝140，就可使喷口114和孔内的通道对中。

把横向调节（如图1所示）和转动调节（如图3所示）结合起来是有利的，可以使芯棒134的轴线150和喷口114的轴线保持同轴。

图4表示本发明的另一个实施方案。为了简便起见，只讨论其对中性能不相同的部分，混合喷咀100包括有盖102形式的上体部分和下体部分104。盖102包含有具有多边形周边的大直径的上部和小直径的下部108，前者用来增大其夹紧力。下体部分108的顶部区域加工有外螺纹110，而下体部分的下部区域有弧形表面109，构成球窝连接装置中的球。弧形表面的转动中心一般和高压喷咀喷口（图中未示）共处一个位置。

连接部分110的底部通常有一个环形的螺母状另件112，具有和盖顶部相同的直径，螺母状另件112的上部区域113有内螺纹，和盖上的外螺纹啮合。螺母状另件112的下部区域114有收缩形状的内壁，从螺纹区的底向下延展到其远侧面上。

下体部分104的近侧面104a包含有在向下收缩的内壁105里面形成的承窝中心区，包围中心区的外壁106有相似的形状，其直径大于螺母状另件在其远侧面上的内径。因此，下体部分104夹持在螺母状另件内，但可在其内自由转动，因此，下体部分以其内壁105和上体部分即盖的弧形表面109连接，可实现下体部分从垂直方向向各个方向的角状转动。

因此，下体部分的通道120可以相对于盖上的通道124的轴线125作角形转动，直至磨料射束通道和流体射束成一直线为止。然后，把盖拧进螺母状另件112，使其弧形表面在轴向和径向两个方向挤压下体部分的内壁105，以防止上下体两部分的相对转动。

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，普通技术人员利用这些知识可以进行许多改进和变化。因此，企图使本发明只由附加的权利要求所限定，而权利要求应被理解为根据先有技术所允许的尽量宽的范围。

Claims (11)

1、用于流体射束切割器械的一种产生磨料射束的喷咀装置，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咀，和将流体从上述流体源输送到喷口的导管，其特征在于喷咀装置包括：

具有内混合区的本体，

喷口限定装置，引导高速流体射束沿着通常是轴向延伸的通道流动，并流过混合区，

第一导管装置，它和混合区连通，适合于从磨料源把磨料导引到混合区内，

第二导管装置，它和混合区连通，从混合区接受载磨料射束，并一般可沿着轴向延伸的第二流体通道把载磨料射束排出，

调节装置，使喷口和第二导管装置轴向对中。

2、权利要求1的喷咀，其特征为它包含有

第一喷咀体，它包围喷口限定装置，

第二喷咀体，它包围第二导管装置，

连接第一和第二喷咀体的装置，使之相对移动，从而使喷口和第二导管装置保持轴向对中。

3、权利要求2的喷咀，其特征为两个喷咀体中的一个喷咀体被加工成所需的尺寸，使它的至少一个部分贴合在另一个喷咀体的至少一个部分内，连接装置包含有调节装置，用于调节上述一个喷咀体相对于上述另一个喷咀体的横向位置。

4、权利要求3的喷咀，其特征为调节装置包含有多个在圆周上间隔一定距离的调节螺丝装置，以施加横向定位力。

5、权利要求4的喷嘴，其特征为调节螺丝装置包含有多个调节螺丝，穿过外喷嘴体向内延伸，对内喷嘴体施加向内方向的定位力。

6、权利要求1，权利要求2或权利要求5的喷嘴，其特征为包含有球窝型连接装置，使喷口可绕第二导管装置转动。

7、权利要求3的喷嘴，其特征为它包含有球窝型连接装置，使喷口可绕第二导管转动。

8、权利要求7的喷嘴，其特征为上述一个喷嘴体通常包含一个凸出的导向平面，起球窝型连接装置中球的作用。

9、权利要求8的喷嘴，其特征为上述另一个喷嘴体包含有第二导向平面，起球窝型连接装置中承窝的作用，其位置可和凸出导向平面配合动作，形成球窝型连接。

10、权利要求8的喷嘴，其特征为凸起导向平面的焦点通常在喷口的中心点上。

11、一个用于流体射束切割系统的喷嘴装置，其特征在于它包括：

喷口限定装置，它高压流体源保持流体连通，

导管装置，它和第一喷口限定装置连通，适合于和磨料源连通，

第一法兰体，它包含有喷口限定装置，

第二法兰体，它包含有导管装置，

连接第一和第二法兰体的法兰的装置，可调节它们间隔关系，以使喷口和导管装置对正。

Images