KR20080081260A

KR20080081260A - 커팅헤드

Info

Publication number: KR20080081260A
Application number: KR1020087013436A
Authority: KR
Inventors: 도날드 스투아르트 밀러
Original assignee: 파인컷 악티에볼라그
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-09-09
Also published as: RU2008117450A; ATE497427T1; EP1963051A1; DE602006019981D1; US20090258582A1; GB0522444D0; WO2007052027A1; US8439726B2; EP1963051B1; JP2009514688A; CN101351304A

Abstract

노즐 조립체(1)는 연마제 워터젯 커팅헤드에서 사용하기 위한 물, 또는 물 안에서 부유하는 연마제 입자의 젯(9)을 생성한다. 노즐 조립체(1)는 노즐조립체를 관통하여 테이퍼가 형성된 보어(7)를 구비한 노즐 요소(5, 80, 84, 86, 91)를 포함하며, 보어(7)가 캐리어(2, 52)를 통해 통로(4)에 동축으로 연결되도록 캐리어(2, 52)에 마운트되어 있으며, 보어(7) 및 통로(4)는 바람직하게 그들이 만나는 지점에서 동일한 직경을 가진다. 노즐 요소는 다이아몬드와 같은 초경도 재료를 고형 몸체(5, 81, 83, 86) 또는 코팅(90) 형태로 포함한다. 노즐 요소는 브레이징 또는 솔더링 조인트(6)에 의해 캐리어(2, 52)에 마운트 되며, 보어(7) 및 통로(4)의 길이방향 축에 수직하게 뻗어있다.

연마제 워터젯, 커팅헤드, 다이아몬드, 워터젯

Description

커팅헤드{CUTTING HEADS}

본 발명은 가스나 증기 또는 액체 내의 커팅헤드로 공급되는 연마제 입자를 이용하여 연마제 워터젯을 발생시키는 커팅헤드에 관한 것이다.

AWJ 커팅헤드로 알려진, 종래의 연마제 워터젯 커팅헤드는 대기중 음속의 2배 이상의 속도로 워터젯을 이동시키기 위해 오리피스를 통해 4000bar(400MPa)의 초고압으로 물을 배출한다. 워터젯은 40배 내지 80배의 워터젯 직경으로 챔버를 가로질러 분사되어 포커스 튜브 보어로 들어간다. 공기 중에 부유하는 연마제 입자는 연마제 입자를 포함하는 공기를 포커스 튜브 통로 및 보어로 드래그하는 워터젯에 의해 챔버 내로 유도된다. 튜브 출구에서 커팅젯을 생성하기 위해 워터젯으로부터 포커스 튜브 내의 연마제 입자로 모멘텀이 전달된다.

고속 워터젯을 멈추게 하기 위해 차단 밸브를 잠그는 동안의 과도 상태(transient event)는 오리피스를 통해 연마제 입자를 운반할 수 있는 워터젯 오리피스 내에서 물/공기의 순간적인 역류를 야기한다. 바뀐 물의 흐름내에서 입자는 고속으로 오리피스를 관통하고, 이는 오리피스의 손상을 초래할 수 있으며, 오리피스 가장자리 부분에 충격을 가하는 입자에 의해 오리피스가 고장날 수 있다. 또한 압력이 가해진 물에서 입자가 오리피스에 도달함으로써 가장자리에서 매우 큰 손상이 가해진다. 이러한 고장은 미리 예측하기 어려우며, 심각한 재정상의 손실 및 생산 손실을 야기한다는 점이 특히 문제이다.

워터젯 오리피스는 초고압물을 견딜 수 있는 기초 캐리어의 전면에 위치한다. 수압은 오리피스에 캐리어 방향으로 힘을 가하고, 오리피스를 캐리어에 밀착시키는 작용을 한다. 워터젯 오리피스의 부근에 도달하는 연마제 입자의 수는 젯이 챔버에 들어가기 전에 캐리어의 좁은 통로를 통해 10 정도 직경의 워터젯을 분사함으로서 크게 감소될 수 있다.

커팅헤드로부터 연마제를 제거하기 위해 워터젯을 정지하기 전에 커팅헤드로 유입되는 연마제를 차단함으로써, 워터젯 오리피스에 손상을 가하는 연마제 입자에 의한 위험을 감소시킬 수 있다. 커팅헤드 챔버 내의 공기 및 연마제의 재순환에 의해, 커팅헤드로부터 연마제를 제거하기 위한 상당한 시간 지연이 발생한다. 워터젯이 작동 시작 후 발생된 연마제 플로우에 대한 시간 지연을 포함한 상기 시간 지연으로 인해, 종래의 연마제 워터젯이 신속한 커팅제트 작동 개폐가 요구되는 기계작동에 사용되지 못하고, 이로 인해 많은 응용예에서 사용이 배제된다.

미국 특허 출원 2005/0017091 에서는 AWJ 커팅헤드에 대해 기재하고 있으며, 상기 커팅헤드 내에서, 연마제 입자를 포함하는 공기가 워터젯 오리피스에 도달하지 못하도록 하기 위해, 공기가 대기로부터 오리피스의 통로 하류 부분으로 흡입된다. 이와 같이 공기플로우를 제공함으로써 연마제 입자가 오리피스 및 오리피스 홀더에 도달해서 손상을 가하는 것을 방지함에도 불구하고, 이는 커팅헤드의 디자인을 복잡하게 하고, 연마제 입자를 커팅헤드로 운반하기 위한 공기의 양에 악영향을 미친다.

영국 특허 출원 번호 GB2422566A는 연마제 입자를 커팅헤드로 운반하기 위한 운반 유체로 사용되며; 포커스 튜브 내에서 응축되는; 증기로 연마제 워터젯을 발생시키는 방법을 기재하고 있다. 포커스 튜브 입구 이전 단계에서 증기를 응축하는 과정은 상기 커팅헤드 내에서 최소화될 필요가 있으며, 이를 위해 워터젯 발생 수단의 포커스 튜브 입구는 20 워터젯 직경 이내로 되도록 할 필요가 있다. 증기 내에서 부유하는 연마제는 워터젯 발생 수단의 출구면을 지나 흐른다. 연마제 입자는 워터젯 발생 수단과 직접 접촉하고 있기 때문에, 물 흐름 중단의 플로우 과도 상태 동안; 및 워터젯 발생 수단을 통한 물 흐름이 없는 경우, 연마제 입자를 운반하는 증기가 커팅헤드로 흐르는 때; 워터젯 발생 수단의 상류 부분으로 입자가 운반된다.

고속 워터젯 내에 연마제 입자를 혼입(entraining)하여 300㎛ 이하의 직경을 가진 연마제 워터젯을 발생시키기 위해, AWJ 커팅헤드에서 사용된 방법처럼 흐르는 공기 내에서 역학적으로 연마제 입자를 운반하는 방법보다는 커팅헤드로 흐르는 물 내에 연마제 입자를 부유하게 하는 방법이 필요하다. 물 내에 부유된 연마제를 고속 워터젯으로 혼입하는 방법은 낮은 커팅헤드 효율 때문에 정밀기계작업에 이용되지 못했다.

물을 연마제 운반 유체로 사용하는 종래의 커팅헤드 구조는 고밀도 연마제/물 혼합물과 워터젯 사이의 역류역학작용(adverse fluid dynamic processes)을 야기시키고, 상기 역류 작용은 혼합물이 포커스 튜브 보어에 들어가기 전에 발생한다. 역류역학작용을 피하기 위해서는, 워터젯 발생 수단의 출구가 포커스 튜브 입구의 직경의 약 20 워터젯 직경 이내일 것을 요한다. 이로 인해, 연마제 혼합물이 워터젯 발생 수단을 통해 흐르는 압축된 물 없는 커팅헤드로 들어가는 경우 및 물 흐름이 멈춘 경우, 연마제 입자가 워터젯 발생 수단의 입구면에 연마제 입자가 도달하도록 하는 워터젯 발생 수단의 출구를 거쳐 흐르도록 야기시킨다.

특히, 연마제/물 혼합물을 사용하는 커팅헤드는 과도한 마모없이 연마제 부유물을 통과할 수 있도록 하는 워터젯 발생 수단을 갖는다는 점이 중요하다. 이러한 커팅헤드용 연마제는 정적인 상태로 물속에 부유하므로 물의 흐름을 정지시키지 않고서는 워터젯 발생 수단의 주변으로부터 쉽게 제거되지 못한다. 동력기계작동을 수행하기 위해 커팅젯은 단위초 마다 여러 번 작동 및 정지를 반복할 수 있기 때문에, 연마제가 연속적으로 잔존하는 것이 바람직하다. 커팅헤드가 동적 커팅 모드에서 작동될 때, 디스토션, 균열 및 얇고 깨지기 쉬운 소재의 갈라짐을 방지하기 위해, 물 흐름을 재작동에 의해 즉시 발생하는 커팅에 있어서, 제어된 연마제가 워터젯 작동 수단 내로 침투하는 것은 장점이 될 수 있다.

대기압보다 낮은 압력에서 포커스 튜브 입구로 공기를 드래그하기 위해, AWJ 커팅헤드는 40 내지 80 워터젯 직경 간격으로 챔버를 가로질러 워터젯을 분사한다. 포커스 튜브로 충분한 공기를 주입하기 위해, 실제로는 포커스 튜브로 들어가는 공기보다 더 많은 공기가 포커스 튜브 쪽으로 흘러야 한다. 포커스 튜브로 이동하는 과잉 공기는 챔버 벽면과 워터젯 오리피스 홀더를 손상시키는 연마제 입자를 운반하는 챔버 내에서 강하게 재순환된다. 재순환 공기는 물방울에 의해 웨팅(wetting)된 입자를 포함할 수 있다. 입자 웨팅 때문에, 연마제 입자는 오리피스 및 오리피스의 홀더 내의 통로 벽면에 부착될 수 있으며, 물 흐름 차단 상태에서 물/공기흐름이 역류하는 경우, 오리피스를 통해서 배출될 수 있다.

제어가능한 압력차에 의해 유도되어 연마제 입자를 함께 끌어당기는 공기가 포커스 튜브로 들어가는 경우, AWJ 커팅헤드의 커팅 성능은 향상될 수 있으며 챔버 및 포커스 튜브 마모가 감소될 수 있다. 대기압 상에서 약 1bar의 정압에 의해, 공기는 포커스 튜브 보어 초입으로부터 시작하여 음속으로 가속된다. 포커스 튜브 내부로 공기 및 연마제 입자를 효율적으로 가속시키기 위해서는 포커스 튜브 입구와 워터젯 발생 수단의 출구 간의 거리가 필요하며, 상기 거리는 연마제 입자가 포커스 튜브 입구 내로 매끄럽게 흐를 수 있도록 하는데 필요한 최소한의 거리이다. 이로 인해 연마제 입자는 워터젯 발생 수단의 출구를 거쳐 흐르고, 물 흐름이 멈췄을 경우 워터젯 발생 수단의 상류 부분에 침투한다.

다이아몬드는 실질적으로 워터젯 발생 수단의 용도로 사용되는 다른 초경도 재료보다 내구성이 뛰어나다. 종래의 다이아몬드로 만든 워터젯 오리피스는 캐리어 내의 소결금속에 세팅된다. 소결금속과 다이아몬드 간의 결합은 약하며, 소결금속은 상대적으로 약한 장력을 가지므로, 다이아몬드 조각의 조인트 및 유지는 철 또는 다른 강 금속으로 제작된 캐리어가 소결금속을 보조적으로 지탱하는 것에 달려있다. 워터젯 발생 수단과 포커스 튜브 사이에 충분하지 않은 공간이 있어 침식으로부터 소결금속을 적절하게 지탱하고 보호할 수 없기 때문에, 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료를 소결금속에 삽입하는 것은 본 명세서에 기재된 워터젯 커팅헤드에 있어서 충분하지 않다.

그러므로, 손상 없이 연마제나 다른 입자를 이동시킬 수 있는 워터젯 발생 수단을 제공할 수 있음으로 인해 여러가지 면에서 유리하며, 상기 수단은 캐리어의 출구에 부착 및 고정되어 위치한다. 본 명세서에서, 연마제 입자가 통과시에 쉽게 손상되지 않는 워터젯 노즐 4000bar를 초과할 수 있는 수압을 견딜 수 있도록 어떻게 캐리어의 출구에 부착되고 고정되는지를 설명한다. 추가적으로 연마제 입자가 캐리어에 손상을 가하지 않도록 상기 워터젯 발생 수단은 캐리어의 표면을 에워쌀 수 있다.

본 발명의 제1특징에 따라, 연마제 워터젯 커팅헤드 용도로 물 또는 물에 부유하는 연마제 입자의 분사를 발생시키는 노즐 조립체가 제공되며, 상기 노즐 조립체는 커팅헤드에 마운트가능한 캐리어 수단을 포함하고, 커팅헤드를 따라 뻗어있는 세장통로 수단 및 초경도 재료를 포함하는 노즐 요소를 가지고, 솔더링 또는 브레이징 조인트 수단에 의해 캐리어 수단에 견고하게 체결되고, 노즐 요소를 따라 뻗어있는 세장형 프로파일 보어를 가지고, 통로 수단에 연결되므로 물 또는 물에서 부유하는 연마제 입자는 상기 젯을 발생시키기 위해 통로 수단 및 보어를 관통하는 압력 하에서 통과될 수 있다.

적절하게, 상기 통로 수단과 상기 프로파일 보어가 만나는 지점에서, 각각은 실질적으로 동일한 직경을 가진다.

유리하게, 상기 프로파일 보어는 통로 수단에 연결된 제1단부로부터 젯을 분사하는 제2단부까지 테이퍼가 형성된다.

최소한, 상기 조인트 수단의 일부는 실질적으로 통로 수단의 길이방향 축에 수직하게 뻗을 수 있다.

적절하게, 조인트 수단의 면적은 통로 수단과 보어가 만나는 지점에서의 통로 수단의 단면적보다 최소한 10배이며, 선택적으로는 상기 단면적의 20배이다.

적절하게 초경도 재료의 경도는 모스 경도 9 내지 10이다.

유리하게, 초경도 재료는 다이아몬드, 입방정계 질화붕소(Cubic Boron Nitride, CBN), 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화실리콘 또는 산화알루미늄을 포함한다.

초경도 재료는 최소한 하나 이상의 다결정질 다이아몬드, 단결정질 다이아몬드, 천연 다이아몬드 또는 화학기상성장법에 의해 생산된 다이아몬드를 포함할 수 있다.

적절하게, 노즐 요소는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료의 블록을 포함한다.

유리하게, 상기 초경도 블록에는 그에 반응결합된 재료의 코팅이 제공되며, 선택적으로, 티타늄과 같은 금속 또는 루테튬과 같은 희토류 원소가 될 수 있다.

상기 초경도 블록은 일체로 탄화텅스텐 또는 다른 초경도 재료로 만든 지지 요소에 결합될 수 있고, 지지 요소는 상기 조인트 수단에 의해 캐리어 수단에 결합된다.

상기 초경도 블록은 경금속(hard metal) 또는 다른 초경도 재료로 만든 케이싱 수단이 제공될 수 있고, 상기 조인트 수단은 케이싱 수단 및 초경도 블록 모두를 캐리어 수단에 연결시킨다.

초경도 재료는 노즐 요소 바디부분에 제공된 코팅, 바람직하게는 다이아몬드 코팅을 포함할 수 있으며, 선택적으로 상기 코팅은 프로파일 보어의 내부면 및 캐리어 수단으로부터 멀리 떨어진 노즐 요소의 표면을 커버한다.

초경도 재료 코팅은 후막을 형성하기 위해 원하는 형태의 프로파일 보어의 형태를 갖는 성형기(former)에서 화학기상성장법에 의해 성장할 수 있고, 성형기는 에칭되며 초경도 재료 또는 금속은 노즐 요소 바디를 생산하기 위해 후막 상에 놓이게 된다.

적절하게, 상기 조인트 수단은 연성 필러메탈(ductile filler metal)을 포함하며, 노즐 요소에 반응결합되며, 캐리어 수단에 반응결합 또는 금속결합된다.

유리하게, 조인트 수단은 주석-은-티타늄 합금으로 이루어진 활성 솔더(active solder)를 포함하며, 선택적으로 다른 금속 및/또는 루테튬, 에르븀 및 세륨과 같은 희토류 원소가 도핑될 수 있다.

조인트수단은 아연-은-알루미늄 합금으로 이루어진 활성 솔더를 포함할 수 있으며, 선택적으로 다른 금속 및/또는 희토류 원소가 도핑될 수 있다.

조인트수단은 은-구리-티타늄 주성분의 활성 브레이즈(braze)을 포함할 수 있고, 선택적으로 다른 금속 및/또는 하프늄과 같은 희토류 원소가 도핑될 수 있다.

캐리어 수단은 적절하게 노즐 요소를 구성하는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료의 열팽창계수와 유사한 값을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.

유리하게, 열팽창계수를 갖는 상기 재료는 노즐 요소가 솔더링 또는 브레이징되는 적층체(lamina)를 포함하고, 적층체는 노즐 요소를 결합시킬 때 사용되는 것보다 높은 용융점을 갖는 솔더 또는 브레이즈를 이용하여 캐리어 수단의 잔부에 솔더링 또는 브레이징 된다.

본 발명의 제2특징에 따라, 제1특징에서 기술된 노즐 조립체를 포함하는 연마제 워터젯 커팅헤드가 제공된다.

본 발명의 제3특징에 따라, 커팅헤드에 결합될 수 있는 캐리어 수단을 제공하는 단계, 다이아몬드와 같은 초경도 재료를 포함하는 노즐 요소를 제공하는 단계, 및 솔더링 또는 브레이징 된 조인트에 의해 노즐 요소를 캐리어 수단에 밀봉상태로 마운트시키는 단계를 포함하는 연마제 워터젯 커팅헤드용 노즐 조립체를 생산하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제4특징에 따라, 초경도 재료 단편에 가해지는 유동하중을 최소화하는 방법에 의한 솔더링 또는 브레이징 된 조인트에 의해 상기 캐리어에 부착되어 밀봉상태로 된 초경도 재료의 단편에 구비된 성형 보어로 연결되는 성형 중앙통로를 구비하는 일반적인 원통형 캐리어가 제공된다.

상기 초경도 재료의 입구 직경은 이상적으로 상기 캐리어 상의 연결통로의 직경과 동일하므로, 노즐-캐리어 조인트가 받는 최대 유동하중은 노즐보어 입구 면적상에 작용하는 유체압력에 기인하며, 노즐보어는 블록되어야 한다.

상기 조인트는 초경도 재료와 필러메탈 사이의 반응 결합을 포함할 수 있으며, 필러메탈과 캐리어 간의 반응/금속결합을 포함할 수 있다.

상기 조인트 형성은 확산접합을 야기시킬 수 있도록 단축 압력 또는 등압을 가하는 과정을 포함할 수 있다.

캐리어는 캐리어를 가압유체의 공급부에 밀착하기 위한 밀봉 수단을 포함할 수 있다.

상기 초경도 재료의 단편의 보어는 일반적으로 가압된 물을 받아들이는 입구로부터 고속 워터젯 상태로 물을 배출하는 출구를 잇는다.

가압된 물이 많은 수의 연마제 입자를 포함하는 경우, 노즐을 떠나는 젯은 연마제 워터젯을 형성한다.

초경도 재료는 적절하게 다이아몬드, 입방정계 질화붕소, 탄화텅스텐, 탄화실리콘 또는 산화알루미늄의 경도보다 크거나 같은 경도를 가진 다른 초경도 재료이다.

본 발명의 제5특징에 따라, 실린더의 제1단부로부터 상기 캐리어의 제2단부 상의 표면에 결합 및 부착된 초경도 재료의 단편으로 통하게 하는 길이방향 통로를 구비한 원통형 캐리어가 제공된다. 가압된 물 또는 가압된 물/연마제 입자 부유물이 캐리어의 제1단부에 공급될 때, 워터젯 또는 연마제 워터젯을 발생시키기 위해, 길이방향 통로는 상기 초경도 재료로 기계화(machined)되고, 캐리어의 길이방향 통로와 나란히 정렬된다.

유리하게, 초경도 노즐은 다이아몬드, 또는 선택적으로 입방정계 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화실리콘 또는 9이상의 모스 경도를 가진 다른 재료로 만들어진다.

다이아몬드는 다결정질 다이아몬드(PCD), 단결정질 다이아몬드, 화학기상성장법(CVD) 다이아몬드 또는 천연 다이아몬드의 형태로 될 수 있다.

유리하게, 상기 초경도 재료의 단편은 프리코트(pre-coated) 되거나 금속화될 수 있으며, 적절하게는 티타늄과 같은 금속 또는 루테튬과 같은 희토류 원소를 포함하여 코팅될 수 있으며, 이들은 초경도 재료에 반응결합되어 있다.

초경도 재료의 단편은 캐리어에 대한 조인트를 형성하는데 기여하는 탄화텅스텐 또는 다른 적절한 재료를 이용한 화학기상성장법 과정에 의해 프리코트될 수 있다.

노즐 보어는 초경도 재료를 통해 캐리어에 대한 조인트를 만들기 위해, 탄화텅스텐 서포트 또는 다른 초경도 재료 서포트에 일체로 결합된 다이아몬드 단편으로 형성될 수 있다.

노즐은 강금 또는 초경도 재료 케이스에 의해 지지되는 다이아몬드 단편으로 형성될 수 있으며, 상기 케이스는 다이아몬드 및/또는 반응조인트를 포함한 노즐 캐리어에 조인트된 케이스를 포함하는 다이아몬드 상에서 성장되거나 또는 침적된다.

다이아몬드 또는 다른 초경도 재료는 금속 또는 다른 초경도 재료를 포함하는 서포트 내에 넣어질 수 있으며, 조인트는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료 및/또는 서포트를 통해 캐리어에 대해 만들어진다.

적절하게 초경도 재료와 노즐 캐리어 사이의 조인트는 초경도 재료와 연성 필러메탈 사이의 완전결합된 천이영역을 형성하기 위해 초경도 재료의 표면과 반응하는 활성 솔더 또는 브레이즈 재료를 사용하여 형성된다. 금속결합은 연성 필러메탈과 금속 또는 초경도 캐리어 사이에서 형성된다.

활성 솔더는 다른 금속 및/또는 루테튬(Lu), 에르븀(Er) 및 세륨(Ce)과 같은 활성 희토류 원소가 도핑된 Sn-Ag-Ti계 합금으로 구성될 수 있다.

활성 솔더는 다른 금속 및/또는 활성 희토류 원소가 도핑된 Zn-Ag-Al계 합금으로 구성될 수 있다.

활성 브레이즈는 다른 금속 및/또는 Hf와 Zr을 포함하는 활성 희토류 원소가 도핑한 Ag-Cu-Ti계 합금으로 구성될 수 있다.

유리하게 조인트 결합영역은 수압을 받는 노즐 입구 영역의 10배 이상 더 넓다.

노즐 캐리어는 캐리어 입구에 연결된 유동관에 노즐 캐리어를 부착하기 위한 수단을 구비할 수 있다.

본 발명의 제6특징에 따라,

입구;와 조인트 수단에 의해 입구에 대해 반대편 말단 상의 캐리어에 부착 및 결합된 초경도 재료의 단편;을 연결하는 내부통로를 갖는 원통형 노즐 캐리어;

초경도 재료가 일반적으로 조인트된 말단의 외부표면 상의 정밀 직경을 갖는 상기 노즐 캐리어;

정확하게 오리피스 몸체의 외부표면 상의 정밀 상기 직경의 중심선 상에 위치하는 초경도 재료의 성형 보어;

가압된 물 또는 물 속에 연마제 부유물을 노즐 캐리어로 공급하는 튜브와 캐리어 입구 사이의 유체 밀봉을 달성하기 위한 수단;

상기 노즐 캐리어 몸체가 위치할 수 있는 정밀 보어를 가지는 커팅헤드 몸체;

연마제 입자를 운반하는 유체의 캐리어 입구에 대한 커팅헤드 몸체의 길이방향 축에 대해 수직보다 크거나 작은 연결을 포함하는 상기 커팅헤드 몸체;

노즐 캐리어에 대해 커팅헤드 보어의 반대편 말단에 피팅되는 초경도 포커스 튜브;

상기 노즐의 출구와 포커스 튜브 입구를 연결하는 통로 및 커팅헤드 몸체의 연마제/캐리어 유체 입구를 노즐과 포커스 튜브 입구 사이의 통로와 연결하는 통로를 구비하며, 노즐과 포커스 튜브 사이의 커팅헤드 몸체 보어에 위치하는 삽입물; 및

커팅헤드 몸체의 노즐 캐리어, 삽입물 및 포커스 튜브를 개별적으로 위치시키고 고정시키기 위한 수단;을 포함하는 커팅헤드 조립체가 제공된다.

적절하게 초경도 노즐 재료는 다이아몬드이다.

적절하게 다이아몬드 노즐은 진공 또는 불활성 기체 노(furnace)에서 티타늄 또는 다른 활성 요소를 포함하는 합금을 사용하여 납땜에 의해 노즐 몸체에 부착되며, 상기 요소는 합금과 다이아몬드 및 캐리어 사이를 형성하는 화학결합을 활성화시키기 위해 다이아몬드 및 노즐 캐리어 기질(substrate)과 반응한다.

캐리어는 노즐에 사용되는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료와 비슷한 열팽창을 갖는 몰리브덴, 코바, 인바 또는 구리/텅스텐 합금과 같은 재료일 수 있다.

노즐 재료와 비견되는 열팽창을 가진 재료의 얇은 영역은 노즐을 재료에 솔더링 또는 브레이징 되는데 사용되기보다는, 용융온도가 높은 솔더 또는 브레이즈를 사용하여 캐리어에 납땜될 수 있다.

본 발명의 제7특징에 따라, 가스 또는 증기 또는 증기/가스 혼합물, 또는 액체 상에서 운반되는 연마제 입자를 함께 작동시키도록 커팅헤드를 구성하기 위해, 교환가능한 워터젯 노즐 조립체 및 포커스 튜브가 조립된 몸체를 포함하는 커팅헤드를 제공한다. 연마제 입자가 커팅헤드 몸체의 가압된 유체 상의 부유물 형태로 커팅헤드로 흐를 경우, 노즐 조립체가 커팅헤드로 작용할 수 있도록 삽입물 및 포커스 튜브는 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 노즐 및 커팅헤드의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 예를 들어 설명하며, 도면 구성은 아래와 같다.

도1a 내지 도1e는 노즐 조립체를 나타내고;

도2 및 도3은 혼입 커팅헤드를 나타내고;

도4는 이격자를 나타내고;

도5는 연마제 부유물 커팅헤드를 나타내고;

도6 및 도7은 혼입 커팅헤드를 나타내고; 및

도8은 종래의 커팅헤드를 나타낸다.

종래의 AWJ 기술을 이해하기 위해 도8을 살펴보면, 워터젯 오리피스(101)은 커팅헤드 몸체(103) 내에 위치하는 기초 캐리어(102)의 전면에 위치하도록 부착된 다. 캐리어(102) 상의 시트(104)는 오리피스(101)에 초고압 물을 공급하는 튜브(105)와 금속 밀봉되도록 금속을 연결하고 형성한다. 오리피스를 통과하여 흐르는 물은 젯(110)을 형성하기 위해 수축된다. 워터젯(110)은 챔버(107)를 가로지르기 전 그리고 포커스 튜브(108)의 보어(109)로 들어가기 전에 캐리어(102)의 중앙통로(106)을 통과한다. 챔버(107)를 통과하는 워터젯(110)에 의해 야기된 드래그 현상은 공기가 연마제 입자를 끌어당겨 통로(111)를 통과하여 들어가도록 하며 또한 전방으로 가속되도록 하고, 포커스 튜브(108) 내로 들어가도록 한다. 연마제 입자를 운반하는, 포커스 튜브 입구(112) 방향으로 이동하는 공기의 양은 보어(109)로 들어갈 수 있는 공기의 양보다 많으며, 과잉공기는 강한 소용돌이 요소를 포함하는 불안정한 방법으로 챔버(107) 내에서 재순환된다. 포커스 튜브 보어(109) 내의 모멘텀은 커팅젯(113)을 발생시키기 위해 워터젯으로부터 연마제 입자로 전달된다.

오리피스(101)는 사파이어, 루비 또는 다이아몬드로 제조된다. 사파이어, 루비 및 다이아몬드는 경도가 매우 높지만 또한 깨지기도 쉽기 때문에, 오리피스의 모서리 부분은 고속으로 이동하는 입자에 의해서 손상될 수 있다. 워터젯(110)이 좁은 통로(106)를 통과하도록 오리피스(101)를 위치시키는 것은 물의 흐름이 정지했을 경우 과도상태 동안, 오리피스의 인근에 도달하며; 오리피스의 상류부분으로 이동하는; 연마제 입자의 위험을 실질적으로 감소시킨다.

종래 기술의 유리한 특징은 워터젯 발생 수단(101)이 캐리어(102)의 전면에 위치함으로써, 수압이 상기 수단을 캐리어로 고정 및 부착시키는 역할을 하는 것이 다. 종래 기술의 커팅헤드의 다른 유리한 특징은 다이아몬드 단편의 크기가 수압 압축하중을 지탱하기에 충분한 정도의 크기만 필요하므로, 고품질의 천연 또는 인공 다이아몬드를 사용하는 것이 경제적이라는 점이다.

그러나, 캐리어의 전면 상의 워터젯 발생 수단에 있어서는 커팅헤드 내의 역류역학작용을 막는 것이 불가능하며, 바람직한 유체역학작용을 일으키는 것이 불가능하다. 역류역학작용은 매우 격렬하게 일어나며, 이로 인해 종래기술의 혼입 커팅헤드는 물 또는 증기 내에 연마제를 운반할 경우 효과적으로 기능하지 못한다.

이하, 연마제 입자에 의해 쉽게 손상되지 않는 성형 보어를 포함하고, 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료로부터 만들어진 워터젯 발생 노즐을 어떻게 400MPa가 넘는 수압을 견디도록 캐리어의 출구에 부착 및 고정시키는지를 설명한다. 400MPa의 하중은 다이아몬드와 금속 또는 다른 초경도 재료와의 결합 방법에 의한 인장응력에 비해 10배 이상 큰 값이다. 주기적인 수압으로 인한 최대 피로 하중을 고려하여, 수압이 가해지는 노즐 영역보다 20배 이상 넓은 조인트 영역이 필요하다. 반드시, 조인트로 들어가는 가압된 물을 막음으로써 조인트 상의 유체하중을 증가시키기 위해, 조인트 재료는 캐리어와 노즐 간의 물 비침투성 밀봉을 형성해야 한다.

솔더링 또는 브레이징에 의해 초경도 재료를 금속 또는 다른 초경도 재료와 결합시키는 것은 당업자에게 자명하다. 그러나, 물이 조인트 수단으로 침투한 경우, 물로 인한 초고압 및 하중의 급격한 증가로 인해 최대인장하중이 야기되고, 워터젯 노즐 재료와 캐리어 재료의 조합 각각에 대한 솔더링 또는 브레이징 방법을 정하기 위해 실험이 필요하다.

다이아몬드는 마모특성으로 인해 선호되나, 탄화텅스텐 및 다른 초경도 재료와의 사이에서 더 강한 조인트가 생성될 수 있으며, 이러한 재료는 노즐 보어를 생산하기 위해 기계화하기 쉬울 뿐 아니라 솔더링 또는 브레이징 하기 쉬울 수 있다. 그러므로, 많은 요인에 기초하여 초경도 노즐 재료를 선택하는 것이 필요하다.

솔더링 또는 브레이징을 이용하여 다이아몬드와 금속 또는 다른 초경도 재료와의 결합에 대한 예가 설명되나, 유사한 결합 방법이 다른 초경도 노즐 재료를 금속 또는 다른 초경도 재료에 결합하는데 있어서 사용될 수 있음을 명심해야 한다.

명확성을 기하기 위해, 여기서 초경도 재료는 9 이상의 모스 경도를 가지는 재료로 정의된다.

본 발명에 따른 노즐 조립체 실시예를 나타내는 도1a를 살펴보면, 워터젯 노즐(1)은 노즐(5)을 형성하는 블랭크 형태의 다이아몬드 재료의 단편의 성형 보어(7)를 연결하는 통로(4)에 대한 입구(3)를 구비한 캐리어(2)를 가진다. 노즐(5)은 조인트(6)에 의해 캐리어(2)에 결합 및 부착되어 있다. 조인트(6)에 가해지는 유동 하중을 최소화하기 위해, 캐리어(2) 상의 유체통로(4)의 출구 직경은 캐리어(2)의 재료의 침식속도보다 작은 물의 속도와 실질적으로 유사한 가장 작은 값으로 선택되는 것이 일반적이며, 노즐 보어(7)를 형성하기 위한 드릴링 및 폴리싱 작업을 수행하는데 필요하다.

다이아몬드 블랭크(5)와 노즐 캐리어(2) 간의 조인트(6)는 활성 요소가 도핑된 솔더 또는 브레이즈를 사용하여 이루어진다. 상기 땜납의 예는 활성 요소 티타 늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 세륨(Ce)이 도핑된 주석(Sn)-은(Ag) 합금이다. 활성 브레이즈의 예는 티타늄(Ti) 및 다른 활성 요소가 도핑된 은(Ag)-구리(Cu) 합금이다. 활성 요소는 산소층 및 표면과 반응하여, 웨팅되도록 한다. 바람직한 조인트는 의도하지 않은 계면화합물의 형성 및 깨지기 쉽고 층을 약하게 하는 다른 조인트의 형성을 최소화하면서, 솔더 또는 브레이즈, 다이아몬드와 캐리어 재료 간의 광범위한 화학결합을 가진다.

솔더는 일반적으로 450℃ 보다 낮은 용융점을 갖는 것으로 정의되나, 고온에서 솔더링 과정의 일부를 수행하는 것은 유리할 수 있다. 이와 같은 경우, 브레이즈된 조인트(700℃ 이상의 고상(solidus)온도를 일반적으로 포함하는 초경도 재료의 브레이징)에 의해 생성된 것보다 낮은 잔류열유도응력(residual thermally induced stress)을 갖는 조인트를 형성하기 위해 온도를 낮추기 전에, 850℃ 정도의 온도까지는 웨팅을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

조인트 강도를 최대화하기 위해 기계화된 표면 텍스쳐를 갖는 캐리어 상의 조인트 표면으로 인해, 캐리어(2)는 노즐(5) 블랭크가 부착되기 전에 완전히 기계화될 수 있다. 보통 노즐 일단(batch)의 브레이징은 진공 또는 불활성 기체 노 내에서 수행된다. 포일로부터 잘라낸 솔더 또는 브레이즈 프리폼은 홀더(2)와 다이아몬드 블랭크(5) 사이에 위치한다. 솔더링 또는 브레이징 온도/시간 주기는 바람직한 조인트 특성을 확실히 하고 깨지기 쉬운 다이아몬드 내의 잔류응력을 최소화하기 위해 사용된다. 브레이징은 강한 결합을 제공하며, 800℃ 이상의 브레이징 온도에서 열적으로 안정한 다이아몬드를 결합하는데 바람직하다. 만족스러운 조인트를 이루는데 도움이 되도록 초음파 또는 다른 진동 수단이 사용될 수 있다.

솔더 및 브레이즈 재료는 낮은 캐필러리 및 다이아몬드 상에서 낮은 웨팅 특성을 가지며, 웨팅은 시간 의존적이다. 낮은 웨팅 특성은 성공적인 조인트 형성의 척도로 사용될 수 있다. 중앙부 구멍의 솔더 또는 브레이즈 지연제(resist)는 통로(4)의 출구보다 한계적으로 크게 기계화된다. 솔더 또는 브레이즈 순환 후, 조인트(6)와 캐리어 통로 보어(4)의 임계적 밀봉을 형성하기 위한 성공적인 조인트 재료의 흐름이 관찰될 수 있다.

CVD 다이아몬드의 성장면을 폴리싱하지 않는 것이 유리하며, 조인트 결합 영역을 증가시키기 위해 다이아몬드의 거친 성장면을 조인트 표면으로 사용하는 것이 유리하다.

품질 제어 및 비용을 최소화하기 위해, 한계 압력 및 피로하중을 견딜 수 있는 조인트 생산에 있어서 하나의 작업만을 수행하는 것이 필요하다. 그러나, 특정 다이아몬드 노즐 블랭크(5)와의 조인트 생산에 있어서 문제가 발생할 경우, 블랭크는 티타늄 기반 또는 블랭크와 반응 화학결합을 형성하며 솔더링 또는 브레이징 동안 웨팅되는 다른 코팅으로 프리코트 될 수 있다. 다른 방법으로, 블랭크는 탄화텅스텐 또는 캐리어에 대한 조인트를 형성을 촉진하는 다른 적절한 재료를 이용한 화학기상증착법 과정에 의해 프리코트 될 수 있다.

대략 최대 400㎛ 직경의 워터젯 및 200㎛ 이하의 연마제 부유물 워터젯을 발생시키기 위해, 1 내지 3㎜의 두께 및 3 내지 6㎜의 직경의 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료 블랭크가 적합하다.

노즐 블랭크(5)에서 기계화된 보어(7)의 형상은 응용예에 따라 다르다. 가압된 물 내의 연마제 부유물을 통과하는 노즐에 대한 보어(7)는 일반적으로 단순한 원형이거나 또는 원추형 입구를 가지며, 길이는 대략 보어 직경의 4배이고, 비슷한 직경을 가지며 직경의 10 내지 20배의 길이를 갖는 보어가 그 뒤를 따른다.

워터젯 노즐 출구에 접근함에 따라, 보어 각각의 직경에서의 마찰 손실은 커팅헤드 입구에서의 수력의 약 2%이다. 목적은 연마제 입자를 포커스 튜브 내로 혼입하는데 효과적이고 포커스 튜브 보어에서 운동 에너지를 워터젯으로부터 입자로 전달하는데 효과적인, 노즐에서의 워터젯 특성 발생에 대한 마찰 에너지 손실을 조절하는 것이다. 부유물로서 연마제를 물에 혼입하는 커팅헤드에 대해, 노즐 출구와 포커스 튜브 간의 거리는 단지 워터젯 직경의 몇 배에 해당할 수 있으며, 이는 노즐로부터의 출구 상의 젯의 혼입 한계를 최대화하기 위해 필요하다. 이는 약 15°의 원추형 수축부을 사용하여 달성될 수 있으며, 워터젯 노즐 출구 전에 약 2 직경의 평행부가 그 뒤에 이어진다. 캐비테이션과 마찰에 기한 거친 표면에 의해 상기 구성은 젯을 생성한다.

공기 중에 커팅헤드로 운반되는 연마제 입자에 있어서, 워터젯은 포커스 튜브로 들어가기 전까지 젯 직경의 10배 이상의 거리를 이동할 수 있다. 이 상황에서, 평행 출구에 인접한 노즐의 길이는 수압 하중 및 입자 충격에 견딜 수 있도록 노즐 출구에 충분한 정도가 될 필요가 있다.

도 1b, 1c, 1d 및 1e는 다른 방법에 의한 캐리어 및 노즐 구성을 나타낸다.

도1b는 캐리어/홀더(2) 상에 브레이즈(6)된 탄화텅스텐 또는 다른 기질(82) 상에서 일체층(81)으로 형성된 다이아몬드로 만든 노즐(80)을 나타낸다.

도1c는 탄화텅스텐(84) 내에 위치하며, 다이아몬드(83)와 탄화텅스텐(84) 모두를 통해 캐리어(2)로 브레이즈된 다이아몬드(83) 단편, 예를 들어 PCD로 구성되는 노즐을 나타낸다. 탄화텅스텐 케이스(84)의 외면(88)은 노즐 홀더 직경(8)의 가능한 최대 허용오차까지 기계화될 수 있으며, 브레이징 동안 홀더(2) 내의 보어(4) 및 다이아몬드(83) 내의 보어(7)가 프리드릴되고 정확하게 연결되도록 한다. 탄화텅스텐 케이스(84)는 다이아몬드(83) 상에서 성장되거나 또는 침적될 수 있다. 경금속은 일정한 경우에 탄화텅스텐 또는 유사한 초경도 재료를 대신하여 사용될 수 있다.

도1d는 최소화된 커팅헤드에 특히 적절한 노즐 구성을 나타내며, 상기 커팅헤드에 있어서 노즐 출구에 도달하기 위해 물 혼합물에서의 연마제 입자에 대해 충분한 유체 통로를 제공하는 것은 어렵다. 다이아몬드(86) 단편은 물 밀봉에 다이아몬드의 일면 상의 브레이즈된 조인트(87)에 의해 운반되는 유동 하중의 대부분을 가하도록 입구 표면상에 브레이즈 된다. 다이아몬드는 사각형 또는 다른 단면일 수 있다.

도1e는 조인트(6)에 의해 캐리어(2)로 결합 및 고정된 몸체(91) 내의 보어(7)의 CVD 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료 층(90)의 침적 또는 성장에 의해 형성된 노즐을 나타낸다. 초경도 재료 층(90)은 연마제 입자에 의한 침식으로부터 캐리어(2)를 보호하기 위해, 몸체(91)의 출구 표면을 거쳐 뻗을 수 있다. 조인트(6)는 초경도 재료(90) 및 몸체(91)로 만들어질 수 있다.

보어(7) 내의 CVD 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료의 성장 대신, 원하는 형상의 보어(7)를 가지는 성형기 상에서 후막이 성장할 수 있고, 성형기는 에칭되며, 금속 또는 초경도 재료 케이스는 몸체(91)를 형성하기 위해 후막의 외면 상에서 성장 및 침적된다.

노즐(5, 80, 83)에서 사용되는 PCD 및 다른 다이아몬드 또는 초경도 재료 블랭크는 시트재로부터 캐리어 유체 내의 연마제가 흐르고 워터젯 잔물(leaving) 보어(7)로 혼입되도록 하는 통로 일부를 형성하는 특징을 포함하는 외면의 형태로 절단될 수 있다.

탄화텅스텐이 초경도 재료로 사용될 때, 특히 적절한 형태는 미국 미네소타주의 Traverse City의 Kennametal Inc 의 연마제 워터젯 포커스 튜브 제품에 사용되며, 등록상표 ROCTEC로 판매되는 합성 카이바드이다.

도2는 캐리어 유체에서 운반되는 연마제 입자를 혼입하기 위한 커팅헤드를 나타낸다. 도1a 내지 1e의 모든 도면에서 도시된 워터젯 노즐(1)은 커팅헤드의 몸체(10) 부분에 위치하며, 스레드(13)에 의해 평행 튜브에 대하여 부착된 몸체(10)에 가해진 하중에 의해, 시준(collimation) 튜브(12) 상의 시트(11)에 대하여 밀봉되어 있다. 커팅헤드 몸체(10)는 워터젯 노즐(1)의 외면 직경(8)에 위치하고, 이격자(15)와 포커스 튜브(16)가 조립되어 내부에 위치하는 보어(14)를 가진다. 밀봉(19)에 의해 몸체(10)에 부착된 위치결정장치(17)는 이격자(15)를 몸체(10)의 통로(18)에 대해 위치시킨다. 스레드(22)를 가지는 마개나사(gland nut)(21)는 몸체(10)의 보어(14)에 있는 포커스 튜브(16)를 고정 및 부착시키기 위해 부착 및 유 지링(23)에 하중을 가한다.

시준 튜브(12)에 대해 가압된 물의 수원(25)은 워터젯(9)을 발생시키기 위해 통로(3, 4)를 통과하여 노즐 보어(7)로 흐른다. 워터젯(9)은 이격자(15) 내에 형성된 챔버(29)를 통과하여 포커스 튜브(16)의 입구(20) 및 보어(24)로 들어간다. 캐리어 유체(26) 내의 연마제 입자는 커팅헤드 몸체(10)의 통로(18)로의 커넥션(27)을 통과하여 챔버(29) 내로 흐르며, 이어서 포커스 튜브(16)의 입구(20) 내로 흐르게 된다. 포커스 튜브 보어(24)에서, 운동 에너지는 포커스 튜브(16)의 출구에서의 커팅젯(25)을 발생시키도록 워터젯(9)으로부터 연마제 입자로 전달된다. 워터젯 노즐(1) 내의 보어(7) 및 포커스 튜브(16)의 보어(24) 간의 길이방향 정렬은 몸체(10)의 보어(14) 내의 밀착한계(close tolerance)인 이들의 직경 및 외면직경과 동일 중심을 갖는 보어축에 의해 이루어진다. 커넥션(27)은 밀봉(28)에 의해 몸체(10)에 부착된다.

도3은 커팅헤드로 가압된 물을 공급하는 시준튜브(12)에 직접 부착되어 있는 노즐 캐리어(30)를 가지는 컴팩트한 커팅헤드를 나타낸다. 커팅헤드의 유체 역학은 기본적으로 도2의 커팅헤드와 동일하다. 노즐 캐리어(30)는 도1의 캐리어(2)에 대해 입구단으로 뻗어있고, 내면 스레드(32) 및 외면 스레드(31) 영역을 가진다. 캐리어(30)와 시준튜브(12) 사이의 금속 밀봉(39)을 위한 금속은 캐리어(30) 내의 연결 보어의 역할을 한다. 커팅헤드 몸체(33)는 구성상으로 스레드(31)에 의해 노즐 캐리어(30)에 체결된다. 포커스 튜브(35)는 캐리어(34) 내에 고정되어 있다. 스레드(31)를 갖는 노즐 캐리어 상의 스크류 몸체(33)는 포커스 튜브 캐리어(34)와 이 격자(36)를 제 위치에 고정시킨다.

캐리어 유체(26) 내의 연마제 입자의 유체는 몸체(33)로의 커넥션을 소재로부터 반사된 연마제로부터 이격을 유지시킬 수 있는 각도 상에서 통로(37)로 들어간다. 노즐 캐리어는 밀봉(46)에 의해 커팅헤드 몸체(33)에 결합된다.

도4는 도3에 도시된 커팅헤드에 적합한 이격자(40)를 나타낸다. 이격자(40)는 커팅헤드 몸체(33) 상의 통로(37)로 연결된 입구 수축부(41) 및 계량부(44)를 가진다. 계량부(44)는 노즐(7)로부터 포커스 튜브(35)로 흐르는 워터젯(9)을 통해 챔버(43)와 연결되어 있다. 이격자(40) 상의 플랫부(42) 또는 다른 특징부는 수축부(41)를 통로(37)에 맞게 위치시키기 위해, 커팅헤드 몸체(33)의 특정부와 부합될 수 있다. 다른 방법으로, 통로(37) 및 챔버(39)는 포커스 튜브 캐리어(34) 및 포커스 튜브(35) 내로 기계화될 수 있다.

도5는 작은 직경의 연마제 워터젯을 발생시키는데 특히 적합한 노즐 구성(59)을 나타낸다. 가압된 연마제/물 유체의 수원(50)은 시준튜브(51) 내의 통로(53)를 통해 노즐 홀더(52) 내의 통로(56) 및 노즐(5)로 흐른다. 노즐 캐리어(52)는 시준튜브(51) 상에서 스레드(54)에 의해 고정 및 유지되며, 밀봉(55)에 의해 시준튜브(51)에 부착된다. 통로(53, 56) 간의 경계면은 연마제 입자가 불필요한 공간(dead space)에 쌓이지 않도록 한다. 노즐(5)용 다이아몬드 블랭크의 직경은 연마제 워터젯(58)이 소재로부터 반사될 경우, 연마제로부터 홀더(52)를 보호하기 위해 적절한 값으로 선택될 수 있다.

도6은 도5에서 도시된 노즐 조립체(59) 및 연마제 입자의 운반 유체가 공기 인 경우 사용이 적합한 이격자(61)를 포함하는 혼입 커팅헤드를 나타낸다. 노즐 캐리어(52) 상의 다이아몬드(57)는 노즐(5)의 보어와 중심이 일치하며, 커팅헤드 몸체(60)의 보어(65) 내에 위치하고, 이격자(61)와 포커스 튜브(16)가 보어(65) 내에서 피팅된다. 이격자(61)는 몸체(60) 내의 통로(66)와 중심이 일치하는 통로(62)를 가진다. 통로(66)는 운반 유체 내의 연마제 부유물의 공급원(26)에 연결되어 있다.

포커스 튜브(16) 내로 유입이 필요한 운반유동유체가 공급원으로부터 통로(66)로 충분한 연마제 입자가 전달되지 못한 때, 통로(66)와 연결되어 있는, 몸체(60) 내의 하나 이상의 통로(67)는 운반유동유체(26)를 끌어오는데 사용될 수 있다. 통로(66)는 통로(67)를 통과한 입자의 모멘텀을 증가시켜 통로(67)로 들어가는 연마제 입자를 최소화될 수 있도록 성형될 수 있다. 통로(67)을 통한 운반유동유체의 끌어들임은 특히 운반유체가 공기인 경우, 500㎛ 이하의 직경을 갖는 커팅젯을 생성하는데 있어 유리하다.

포커스 튜브 보어의 직경이 대략 100㎛ 이하인 경우, 노즐의 보어와 포커스 튜브 간의 정렬은 5㎛ 이내에서 고정될 것을 요한다. 도7은 특히 노즐과 포커스 튜브 보어 간의 바람직한 정렬을 달성하는데 적합한 구성을 나타낸다. 포커스 튜브(35)는 노즐 캐리어(1)의 외면 직경(77) 상에 밀착 피팅되는 확장부(75)를 가지는 캐리어(74) 내에 위치한다. 외면 직경(77)에 대한 노즐 보어의 위치 및 확장부(75)의 내부 보어에 대한 포커스 튜브 보어의 위치를 참조함으로써, 5㎛ 보다 더 나은 정렬을 달성할 수 있다.

노즐 캐리어(1)는 스레드(71)에 의해 칼라(70)에 체결되는 몸체(72)에 의해 고정된다. 칼라(70)는 스레드(73)에 의해서 시준튜브(12)에 체결된다. 칼라(70)를 약간 느슨하게 하여 노즐 캐리어(1)와 시준튜브(12) 간의 하중을 없애도록, 몸체(72)가 일부 회전되고 해체될 수 있도록 하기 위해, 몸체(72)와 칼라(70)를 결합하는 스레드(71)는 신속해체(quick release) 단속(interrupted)스레드 또는 다른 신속해체 메카니즘으로 대체될 수 있다.

포커스 튜브(35)는 수축 피팅, 접착제, 브레이징 또는 다른 결합 및 부착 수단에 의해, 포커스 튜브 캐리어(74) 내에 고정될 수 있다. 밀봉(76)은 포커스 튜브 캐리어(72)를 몸체(72)에 부착시킨다. 위치 스크류(78)는 포커스 튜브 캐리어(74)를 고정시킴으로써, 포커스 튜브 캐리어 내의 통로(79)가 통로(80)와 정렬될 수 있다. 몸체(72) 내의 통로(80)는 운반 유체 내의 연마제 입자의 공급원(26)에 연결된다.본 커팅헤드의 유체역학 과정은 도2를 참조하여 일반적으로 설명되어 있다.

Claims

연마제 워터젯 커팅헤드 내에서 사용되는 물 또는 물에서 부유하는 연마제 입자의 젯을 발생시키는 노즐 조립체로서, 상기 노즐 조립체는

커팅헤드에 마운트가능한 캐리어 수단을 포함하고,

커팅헤드를 따라 뻗어있는 세장통로 수단 및 초경도 재료를 포함하는 노즐 요소를 가지고,

솔더링 또는 브레이징 조인트 수단에 의해 캐리어 수단에 밀봉상태로 마운트되고,

노즐 요소를 따라 뻗어있는 세장형 프로파일 보어를 가지고 있고,

통로 수단에 연결되므로 물 또는 물에서 부유하는 연마제 입자가 상기 젯을 발생시키기 위해 통로 수단 및 보어를 통해 압력 하에서 통과되도록 통로 수단에 연결된 노즐요소를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항에 있어서, 상기 통로 수단 및 상기 프로파일 보어는 이들이 만나는 위치에서 실질적으로 동일한 직경을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로파일 보어는 통로 수단에 연결된 제1단부에서부터 젯을 방출하는데 적합한 제2단부까지 테이퍼가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 최소한 상기 조인트 수단의 일부분은 통로 수단의 길이방향 축에 실질적으로 수직하게 뻗어있는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 조인트 수단의 면적은 통로 수단과 보어가 만나는 지점에서의 통로 수단 단면적의 최소 10배이고, 선택적으로 상기 단면적의 20배인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 초경도 재료의 경도는 모스 경도 9 내지 10인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 초경도 재료는 다이아몬드, 입방정계 질화붕소, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화실리콘 또는 산화알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 초경도 재료는 다결정질 다이아몬드, 단결정질 다이아몬드, 천연 다이아몬드 또는 화학기상성장법에 의해 생산된 다이아몬드로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 요소는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료의 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제9항에 있어서, 상기 초경도 블록에는 반응결합된 재료의 코팅이 제공되며, 선택적으로 티타늄과 같은 금속 또는 루테튬과 같은 희토류 원소인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제9항에 있어서, 상기 초경도 블록은 탄화텅스텐 또는 다른 초경도 재료로 구성된 서포트 요소에 일체로 결합되고, 서포트 요소는 상기 조인트 수단에 의해 캐리어 수단에 마운트되는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제9항에 있어서, 상기 초경도 블록에는 경금속 또는 다른 초경도 재료로 구성된 케이싱 수단이 제공되고, 상기 조인트 수단은 케이싱 수단과 상기 초경도 블록 양자를 모두 캐리어 수단에 연결하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 초경도 재료는 코팅 또는 후막,바람직하게는 다이아몬드 코팅 또는 후막을 포함하며, 상기 코팅 또는 후막은 노즐 요소 몸체상에서 지지되고, 선택적으로 상기 코팅 또는 후막을 이용하여, 프로파일 보어의 내부 표면 및 캐리어 수단으로부터 먼 쪽의 노즐 요소의 표면을 커버하거나 형성하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조인트 수단은 연성 필러메탈을 포함하고, 노즐 요소에 반응결합되고, 캐리어 수단에 반응결합 또는 금속결합되는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 조인트 수단은 주석-은-티타늄 합금을 포함하는 활성 솔더를 포함하고, 선택적으로 다른 금속 및/또는 루테튬, 에르븀 및 세륨과 같은 활성 희토류 원소를 도핑된 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 조인트 수단은 아연-은-알루미늄 합금을 포함하는 활성 솔더를 포함하고, 선택적으로 다른 금속 및/또는 활성 희토류 원소가 도핑된 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 조인트 수단은 은-구리-티타늄 계의 활성 브레이즈를 포함하고, 선택적으로 다른 금속 및/또는 하프늄 및 지르코늄과 같은 희토류 원소가 도핑된 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 수단은 노즐 요소를 구성하는 다이아몬드 또는 다른 초경도 재료의 열팽창 계수와 비슷한 값의 열팽창 계 수를 가지는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제18항에 있어서, 상기 비슷한 열팽창 계수를 갖는 재료는 노즐 요소가 솔더링 또는 브레이징 되는 적층체를 포함하고, 상기 적층체는 노즐 요소를 마운트시키는데 사용된 재료의 용융점보다 높은 값을 갖는 솔더 또는 브레이즈를 사용하여 캐리어 수단의 잔부에 솔더링 또는 브레이징되는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
제1항 내지 제19항에 기재된 노즐 조립체를 포함하는 연마제 워터젯 커팅헤드 .
커팅헤드에 마운트가능한 캐리어 수단을 제공하는 단계,

다이아몬드와 같은 초경도 재료로 이루어진 노즐 요소를 제공하는 단계,

솔더링 또는 브레이징 조인트에 의해 노즐 요소를 캐리어 수단에 밀봉상태로 마운팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마제 워터젯 커팅헤드용 노즐 조립체를 제조하는 방법.