MXPA99008666A - Chorro de corte de fluido de alta velocidad lubricado - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una boquilla de corte de chorro de fluido de alta velocidad (7) que tiene una primera cámara (2) para recibir un fluido abrasivo presurizado, la cámara (2) es definida por lo menos en parte por una superficie de una pared que tiene un orificio de salida de fluido abrasivo (9), caracterizada porque por lo menos una porción de la pared es porosa, la boquilla (7) además tiene una segunda cámara (6) separada de la primera cámara (2) por la pared, para recibir un fluido lubricante, y en donde el fluido lubricante en uso pasa a través de la porción porosa de la pared para lubricar por lo menos una porción de la superficie de la pared y resistir la erosión de la pared mientras el fluido abrasivo presurizado sale de la primera cámara (2) a través del orificio (9).

Description

CHORRO DE CORTE DE FLUIDO DE ALTA VELOCIDAD LUBRICADO CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere a chorros de corte de fluido de alta velocidad y, más particularmente, a chorros de lechada de alta velocidad que usan partículas abrasivas introducidas en el fluido para cortar materiales. TÉCNICA ANTERIOR Los chorros de fluido de alta velocidad ("chorros de corte") juegan un papel crecientemente importante como una herramienta para cortar una variedad de materiales. Por ejemplo, ver Patente de E.U.A. NO. 5.527,204 para una discusión general de los chorros de corte, de fluido abrasivo de alta velocidad. En un chorro de corte, un fluido, tal como agua o gas, introduce partículas abrasivas para formar una lechada que se rocía desde un orificio de una boquilla a velocidades muy altas (normalmente de 100-500 m/seg). Como los dispositivos de corte de láser, los chorros de corte son precisos, de manejo fácil y ocasionan muy poca pérdida de material. Sin embargo, el corte de chorros abrasivos no implica la característica de altas temperaturas del corte con láser y como resultado, son adecuados para cortar prácticamente cualquier material. Además, el sistema de control requerido para los chorros de corte es más sencillo y más económico que para los sistemas de corte con láser. Consecuentemente, los chorros de corte pueden usarse en una amplia escala de industrias, tiendas de maquinarias pequeñas y canteras para los requerimientos de corte a gran escala de las industrias automotriz y de aviación La dificultad más problemática asociada con los chorros de corte es el desgaste de las boquillas, lo cual actualmente limita su utilidad Aún utilizando materiales muy duros, la alta velocidad del fluido junto con un tamaño de partícula que puede ser tan alto como el 40% del diámetro de la boquilla, puede destruir rápidamente una boquilla Además, a medida que se desgasta la boquilla, su tajo o anchura de corte varían, conforme la dispersión del fluido sale de la boquilla de chorro Consecuentemente, las boquillas podrán reemplazarse frecuentemente, dando como resultado el mantenimiento e inspección constante, pérdida de precisión y tiempo muerto de la máquina, todo lo cual se agrega al costo de usar un chorro de corte Los intentos actuales para resolver este problema de desgaste, incluyen producir un chorro de liquido puro con partículas abrasivas únicamente corriente abajo de la boquilla, el uso de boquillas hechas de materiales muy duros (tales como diamantes), usando partículas abrasivas que son mas suaves que las paredes de las boquillas e intentando modificar la estructura de flujo de la boquilla con el fin de mantener las partículas abrasivas lejos de la pared de la boquilla Todo las técnicas actualmente disponibles tienen deficiencias principales El hacer descender corriente abajo de chorro reduce la velocidad de las partículas abrasivas ocasionando la expansión considerable, el barrido y la continuidad del flujo de fluido. Las boquillas de diamante son caras y casi imposible de formar en configuraciones convenientes. El uso de partículas abrasivas más blandas que la boquilla reduce la eficiencia del corte. La modificación a la estructura de flujo de chorro introduciendo flujos de abrasión secundarios cerca de las paredes de la boquilla, es útil únicamente con flujos relativamente lentos y partículas abrasivas pequeñas; dicha modificación también ocasiona la expansión del chorro y fenómenos de flujo secundarios que limitan la capacidad de controlar el proceso. Consecuentemente, podría ser conveniente obtener una boquilla mejorada que supere las limitaciones de la técnica anterior. La presente invención provee dichas mejoras. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención comprende una boquilla de chorro de fluido de alta velocidad hecha, por lo menos en parte, de un material poroso y configurado de manera que la parte porosa de la boquilla está rodeada por lo menos en parte por un depósito que contiene un lubricante. A medida que un fluido de corte pasa a través de la boquilla, el lubricante del depósito se extrae a través del material poroso y forma una película delgada del lubricante sobre las superficies de la boquilla expuestas al chorro de fluido. La invención no solamente resuelve las dificultades principales de la técnica anterior que se refieren al desgaste de la boquilla, amplía el uso de aplicaciones de cortadores de chorro de fluido de alta velocidad. Reduciendo el desgaste de una boquilla de chorro, es posible incrementar la velocidad del chorro y reducir el diámetro de la boquilla aún más que la técnica anterior, permitiendo una precisión bastante superior, corte más profundo y el uso en materiales difíciles de cortar tal como cerámica. La invención, por lo tanto, provee un método confiable pero muy sencillo para evitar el desgaste de la boquilla. Los detalles de la modalidad preferida de la invención se exhiben en los dibujos anexos y en la siguiente descripción. Una vez que se conocen los detalles de la invención, serán obvias numerosas innovaciones y cambios adicionales para alguien experto en la materia. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1A, es un diagrama de bloque de la modalidad preferida de la invención, mostrando una boquilla en sección transversal. La FIGURA 1B, es una sección transversal acercada de la boquilla de la FIGURA 1A. La FIGURA 1C, es una vista final del extremo distal de la boquillas de las FIGURAS 1A y 1C, mostrando un orificio circular. La FIGURA 1D, es una vista final del extremo distal de una alternativa para las boquillas de las FIGURAS 1A y 1B, que muestran un orificio lineal o ranura. La FIGURA 1E. es una sección transversal acercada de una de una alternativa de la boquilla de la FIGURA 1A.

Los números de referencia similares y designaciones en varios dibujos indican elementos similares. MEJOR MODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN A través de esta descripción, la modalidad preferida y ejemplos preferidos mostrados deberán considerarse como ilustrativos, en lugar de como limitaciones sobre la invención. Estructura Preferida La FIGURA 1A es un diagrama de bloque de una modalidad de la invención. Un fluido portador, tal como agua, se presuriza (v.gr., mediante una bomba hidráulica de alta presión) y se introduce a una cabeza de corte 1 que tiene una cámara de mezclado de lechada 2. El fluido presurizado también se usa para presurizar una fuente de lechada de alta densidad 3 que contiene partículas abrasivas 4 a una concentración de aproximadamente 10-20% en volumen; sin embargo, se pueden usar otras relaciones. Las partículas abrasivas, por ejemplo, pueden ser sílice fino, óxido de aluminio, granito, carburo de tungsteno, carburo de silicio y materiales similares. La salida de la fuente 3 de lechada de alta densidad se acopla a la cámara 2 de mezclado de lechada de la cabeza de corte 1, en donde la lechada se diluye por el fluido presurizado, normalmente a aproximadamente 1-5% en volumen. En la modalidad preferida, el fluido presurizado también se usa para presurizar una fuente de lubricante 5, la salida de la cual se acopla a una cámara de lubricante 6 que rodea una boquilla 7, la boquilla 7 forma un extremo de la cabeza de corte 1. Se utilizan válvulas manuales automáticas 8 para regular los regímenes de flujo relativos y la presión del fluido, lechada y lubricante a la cabeza de corte 1. Haciendo referencia a la FIGURA 1B, mostrada en acercamiento, está el extremo distal de la cabeza de corte 1. En la modalidad preferida, la boquilla 7 se forma de un material poroso. En la modalidad mostrada en la FIGURA 1C, el extremo distal de la boquilla 7 define un orificio de chorro aproximadamente circular 9, desde el cual ei chorro de corte de lechada sale de la cabeza de corte 1. En una modalidad normal, la dimensión en sección transversal es pequeña (es decir, el diámetro, si es redondo) del orificio del chorro 9, es menor a 500 micrómetros. Debido a las características de desempeño mejoradas que resultan de la presente invención, la dimensión en sección transversal es pequeña y puede ser tan chica como el doble del diámetro de las partículas abrasivas (actualmente, las partículas abrasivas finas normalmente son de aproximadamente 20 µm). En la modalidad mostrada en la FIGURA 1D, el extremo distal de la boquilla 7 define un orificio de chorro lineal o inclinado 9', desde el cual sale el chorro de corte de la lechada de la cabeza de corte 1. Mediante la configuración adecuada de una boquilla de una pieza 7, o formando la boquilla a partir de dos estructuras alargadas que tienen secciones transversales similares a las mostradas en la FIGURA 1B más las capas extremas, puede fabricarse un orificio lineal virtualmente de cualquier longitud deseada. Además, si se desea, se pueden usar múltiples orificios. Otras formas pueden usarse para el orifico 9, tal como una elipse, un óvalo, etc. Operación En uso, la presión en la cámara de lubricante 6 es superior a la presión en la cámara de mezclado 2. El diferencial de presión puede lograrse por una diferencia en la presión aplicada o por una diferencia en regímenes de flujo entre la cámara de lubricante 6 y la cámara de mezclado de lechada 2. Como resultado de esta diferencia de presión, se fuerza el lubricante continuamente a través de la estructura porosa de la boquilla 7 para proveer una capa (película) protectora delgada sobre la pared interna de la boquilla 7. Debido a que el lubricante se rellena constantemente de la cámara de lubricante 6, se "reparan" los sitios en donde las partículas abrasivas "acanalan" la película, reduciendo o evitando el daño a las paredes sólidas. El grosor de la película del lubricante, se diseñó para evitar el contacto (impacto) entre las partículas del chorro de lechada y la pared interna de la boquilla 7 y para evitar la alta tensión que podría conducir a la falla de la pared de la boquilla cuando es muy pequeña la distancia entre la partícula y la pared. El análisis aproximado para determinar el grosor requerido de la capa lubricante indica, por ejemplo, que una capa de aproximadamente 5 µm de grosor de aceite ligero es suficiente para evitar el contacto entre las partículas abrasivas y la pared de la boquilla para un diámetro de 100 µm, un chorro de lechada de 200 m/seg que contiene oartículas abrasivas de 20 µm de diámetro con una gravedad específica de 2 en un fluido portador de agua. Para este ejemplo, la viscosidad del lubricante debería ser de aproximadamente 40 veces la del agua En general, el grosor requerido de la película lubricante depende de las condiciones de flujo, incluyendo velocidad de lechada, geometría de la boquilla, gravedad específica de las partículas, forma y fracción de vacío, así como la viscosidad del lubricante En la mayoría de los casos, el grosor de la película de lubricante únicamente necesita ser de un porcentaje pequeño (aproximadamente 1-6%) del diámetro de la boquilla Debido a las diferencias de viscosidad entre el fluido y el lubricante (normalmente 40-80 1 si se usa aceite como el lubricante y el agua como el fluido portador) y mientras más delgada sea la película del lubricante, el régimen de flujo de lubricante podrá mantenerse a un nivel muy bajo (característicamente, por debajo de 0.1% del flujo de fluido portador) Por lo tanto, es mínimo el consumo de lubricantes El lubricante puede ser de cualquier tipo deseado, mientras que el lubricante forme una película protectora sobre la pared interna de la boquilla 7 El uso de polímeros líquidos provee una ventaja adicional en situaciones que implican tensión de alto esfuerzo cortante (>107) como aquellas que se presentan en la boquilla 7, debido a que los polímeros líquidos tienden a "endurecerse" bajo dichas condiciones les decir, se vuelven menos un material viscoso y más un material solido) Por lo tanto, los polímeros líquidos pueden absorber mucho más energía y tensiones de partículas abrasivas que se mueven lateralmente. Los lubricantes luminosos sintéticos (tales como poli-alfa olefinas) que pueden extraerse fácilmente o forzarse a través de un medio poroso deberán proveer suficiente protección a las paredes de la boquilla 7 bajo condiciones normales. Bajo condiciones preferidas, la viscosidad del lubricante deberá ser mayor que la viscosidad de fluido abrasivo. Sin embargo, también es posible la inyección del fluido con la misma viscosidad inferior que el fluido portador abrasivo mientras que el fluido inyectado crea una capa o película protectora a lo largo de las paredes de la boquilla. Detalles de Implementación Adicionales. En la modalidad preferida, la cámara de lubricante 5 y la cámara de lechada 3 se presurizan desde la misma fuente. Debido al flujo de alta velocidad de la lechada a través de la boquilla 7 y la combinación de fluidos casi estancado en la cámara de lubricante 6, una diferencia de presión existente entre los lados interno y externo de la pared porosa de la boquilla 7 que generalmente es suficiente para extraer el lubricante a través de la pared porosa. La cámara de lubricante 5 también puede presurizarse por una bomba separada si se necesita. La boquilla 7 puede ser cualquier material poroso, pero preferiblemente está hecha de un material poroso, duro, moldeable o fácilmente tratado. tal como una cerámica, espuma de metal/cerámica, materiales concrecionados, plástico concrecionado, vidrio flexionado o perlas de cerámica, p'asticos porosos (v.gr., polietileno, polipropileno, nilón, etc. El tamaño de poro puede variar para proveer regímenes de flujo de lubricantes diferentes. Además, la boquilla 7 no necesita estar hecha completamente de material poroso. Un anillo poroso 30, tal como se muestra en la FIGURA 1E, corriente arriba de una punta no porosa 32, puede proveer suficiente lubricación a lo largo de la superficie interna de la punta 32 para reducir substancialmente la erosión. En una configuración diferente, el anillo poroso 30 puede estar corriente abajo de una porción no porosa, en donde el desgaste podría ser mayor. Alternativamente, una boquilla puede estar configurada con múltiples anillos porosos y no porosos. Como otra alternativa, se puede configurar una boquilla con múltiples anillos porosos apilados que tienen diferentes regímenes de flujo de lubricante (por ejemplo, debido a la diferente porosidad o grosor) Además, mientras que se prefiere un material uniformemente poroso para la boquilla 7, en una modalidad alternativa, se pueden perforar un número de orificios de muy finos a extremadamente finos (tales como con una perforadora de láser) a través de la boquilla formada de material no poroso para hacer que la boquilla sea efectivamente porosa. También la boquilla puede hacerse de una serie de tubos, pegarse y formarse, dando así una boquilla efectivamente porosa De aquí en adelante cuando se usa dicha frase 'pared, boquilla material etc., porosos . se deberá entender que el uso de la palabra ''poroso también sir/e para referirse a una pared ooquilla material efectivamente porosos . etc El régimen de inyección de lubricante se controla por la diferencia de presión a través de la boquilla de la pared 7, la viscosidad del lubricante, la permeabilidad del medio poroso y el grosor de la pared de la boquilla La presión dentro de la boquilla 7 no es constante debido al cambio en la velocidad de fluido que resulta de los cambios en el área transversal de la boquilla 7 y debido a las tensiones de esfuerzo cortante a lo largo de la pared interna de la boquilla 7 Para asegurar un régimen de flujo de lubricante conveniente en un punto uniforme, el grosor de las paredes de la boquilla 7 puede variar La forma exacta de la boquilla 7 puede determinarse resolviendo las ecuaciones en movimiento para el flujo de fluido en el medio poroso con el régimen de flujo prescrito en cada punto como una condición limitante Por lo tanto, es posible prescribir un régimen de inyección relativamente exacto Con las paredes lubricadas, el diámetro de la boquilla 7 puede disminuir substancialmente a tamaños que únicamente son ligeramente mayores al diámetro de la partícula Por ejemplo si el diámetro de partícula máximo es de aproximadamente 20 um, el diámetro de boquilla, en principio puede reducirse a aproximadamente 40 um, incluyendo la película oleosa Un diámetro de boquilla mas pequeño provee cortes mas agudos y mas precisos con menos perdida de material Como una consecuencia adicional de la lubricación de las paredes de la boquilla expuestas a la lechada, la velocidad de la lechada puede incrementarse a velocidades considerablemente suoepores sin dañar las oaredes de la boquilla, incrementado así la potencia abrasiva de la lechada y la eficiencia de corte del sistema. La capacidad de premezclar las partículas abrasivas y el fluido portador dentro de la cámara de mezclado de la lechada 2 y la boquilla 7 sin riesgo de dañar las paredes de la boquilla, tiene una ventaja principal adicional. Siempre y cuando la boquilla 7 sea lo suficientemente larga (basado en un análisis relativamente sencillo que depende de la geometría de la boquilla y la gravedad específica de la partícula abrasiva que es superior al fluido portador), las partículas abrasivas pueden acelerarse a la misma velocidad que el fluido. Consecuentemente, la velocidad y la potencia abrasiva de cada partícula puede aumentarse al máximo. Aunque la modalidad preferida de la invención usa líquido como el fluido portador, el fluido portador puede ser un gas o una mezcla de líquido/gas. Además, mientras que la modalidad preferida usa partículas abrasivas como el material de corte principal, la boquilla lubricada de la invención también deberá reducir el desgaste debido a la cavitación cuando se usa únicamente con un líquido de corte altamente presurizado. Por lo tanto, "fluido abrasivo" o "fluido de corte" deberá entenderse que incluyen fluidos con o sin partículas abrasivas introducidas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Una boquilla de corte de chorro de fluido de alta velocidad mejorada (7) del tipo que tiene una primera cámara (2) para recibir un fluido abrasivo presurizado, la cámara (2) estando definida, por lo menos en parte, por una superficie de una pared que tiene un fluido abrasivo, orifico de salida (9), en donde la mejora comprende por lo menos una porción de la pared siendo porosa, la boquilla (7) además teniendo una segunda cámara (6), separada de la primera cámara (2) por dicha pared, para recibir un fluido lubricante, en donde el fluido lubricante pasa a través de la porción porosa de la pared para lubricar por lo menos una porción de la superficie aleatoria y resistir la erosión de la pared mientras que sale el fluido abrasivo presupzado desde la cámara (2) a través de un orificio (9) 2 La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 100 mieras a 500 mieras 3 La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 40 mieras a 100 mieras 4 La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1 en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 10 mieras a 40 mieras. 5. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el fluido abrasivo tiene partículas abrasivas (4) que tienen un diámetro promedio en la escala de 20 por ciento a 70 por ciento de la dimensión en sección transversal más pequeña de dicho orificio (9). 6. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el fluido lubricante tiene una viscosidad de por lo menos igual a la viscosidad del fluido abrasivo. 7. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 6, en donde el fluido lubricante es un polímero líquido. 8. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 6, en donde el fluido lubricante es un aceite. 9. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el fluido lubricante tiene una viscosidad menor a la viscosidad de fluido abrasivo. 10. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde el fluido lubricante tiene un régimen de flujo substancialmente menor al régimen de flujo para el fluido abrasivo. 11. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1. en donde el grosor de la pared porosa varía para controlar el régimen de flujo del fluido lubricante. 12. La boquilla de chorro de corte de fluido (7) de la reivindicación 1, en donde la pared porosa tiene porosidad variable. 13. Un sistema de corte de chorro de fluido de alta velocidad mejorada del tipo que tiene una fuente (3) del fluido abrasivo presurizado y una boquilla (7) acoplada a la fuente (3) de fluido abrasivo presurizado, la boquilla teniendo un orifico de salida (9), la mejora comprendiendo: una fuente (5) del fluido lubricante conectado a la boquilla, la boquilla (7) teniendo una pared porosa con una superficie interna y una superficie externa, la superficie interna definiendo, por lo menos en parte, una primera cámara (2) para recibir el fluido abrasivo presurizado, la superficie externa definiendo, por lo menos en parte, una segunda cámara (6) para recibir el fluido lubricante, en donde el fluido lubricante pasa a través de la pared porosa para lubricar por lo menos la superficie interna de la pared porosa mientras que el fluido abrasivo presurizado sale de la primera cámara (2) a través del orificio (9). 14. Un método para reducir erosión de una boquilla de chorro de corte de fluido de alta velocidad (7) debido a un fluido abrasivo que fluye a través de la boquilla (7) y que sale de la boquilla a un orificio de boquilla (9), comprendiendo los pasos de: (a) formar la boquilla (7) de material porosa; (b) extraer fluido lubricante a través de material poroso para formar una película lubricante entre la boquilla (7) y el fluido abrasivo. 15 El método de la reivindicación 14, en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 100 mieras a 500 mieras 16 El método de la reivindicación 14, en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 40 mieras a 100 mieras 17 El método de la reivindicación 14, en donde el orificio (9) tiene una dimensión en sección transversal más pequeña en la escala de 10 mieras a 40 mieras 18 El método de la reivindicación 14, en donde el fluido abrasivo tiene partículas abrasivas (4) que tienen un diámetro promedio en la escala de 20 por ciento a 70 por ciento de la dimensión en sección transversal mas pequeña de dicho orificio (9) 19 El método de la reivindicación 14, en donde el fluido lubricante tiene una viscosidad por lo menos igual a la viscosidad del fluido abrasivo 20 El método de la reivindicación 19, en donde el fluido lubricante es un polímero liquido 21 El método de la reivindicación 19 en donde el fluido lubricante es un aceite 22 El método de la reivindicación 14 en donde el fluido lubricante tiene una viscosidad menor a la viscosidad de fluido abrasivo 23. El método de la reivindicación 14, en donde el fluido lubricante tiene un régimen de flujo substancialmente menor al régimen de flujo para el fluido abrasivo.