專利名稱：超高壓水射流萬能切割機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于切割機械。
超高壓水射流萬能切割機的工作原理，是用超高壓泵將水加壓到數(shù)千公斤／平方厘米的高壓，然后通過特制的管路聯(lián)接到一個極細小的、由耐磨材料制成的小孔射出，這時水的噴射速度可達到數(shù)倍音速。利用這一股極高的射流速度，對物體進行切割。在高速射流中如摻入磨料，即可切割最堅硬的材料。因?qū)俪厍懈?，沒有因高溫帶來的對被切割材料(如金屬板，石板等)的熱影響問題。
與本發(fā)明相接近的現(xiàn)有技術(shù)是美國流體工業(yè)公司生產(chǎn)的11－X型超高壓水射流切割機，其結(jié)構(gòu)圖如


圖1，電動機(5)帶動油泵(6)，輸出壓力達200公斤／平方厘米的油液，通過管道(4)，帶動二級增壓泵(3)(雙向雙作用二級增壓泵)。按所需切割壓力和流量要求，增壓泵(3)用30－60匹馬力的馬達驅(qū)動。經(jīng)增壓泵(3)泵出的高壓水(壓力達3800公斤／平方厘米左右)進入蓄能器(2)，其作用是依靠水的可壓縮性來保持輸出高壓水壓力的穩(wěn)定性。由蓄能器(2)出來的高壓水通過管路(8)及閥門(9)，進入高壓水噴射器(10)，對工件(15)進行切割，此為凈水射流切割。當切割硬度較大的工件時，可在高壓水中摻入磨料磨料箱(13)中的磨料在噴射器(10)噴出的高速水射流產(chǎn)生的負壓虹吸作用下，通過磨料射流控制閥(又稱砂閥或磨料控制閥)(12)及輸砂管(11)進入噴射器(10)，形成磨料水射流進行切割。帶有被切割材料碎屑的磨料水流通過回收口(16)流入收集池。油池(7)對泵(6)及泵(3)形成供油回路。(1)為進水口，(14)為進氣孔。從上述可見，該機器的主要組成部件有超高壓泵、蓄能器，噴射器、磨料射流控制閥。美制11－X型機存在若干缺點1、蓄能器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由進水口(2a)、出水口(2f)、筒形本體(2d)、錐形密封螺帽(2c)以及鎖緊螺帽(2b)組成，出水口與進水口分別有超高壓輸液管(8b)、(8a)，輸液管(8b)、(8a)分別穿過兩端密封螺帽(2c)以及鎖緊螺帽(2b)，輸液管(8b)以及(8a)都沿蓄能器軸心線水平配置。因而在蓄能器臥式放置時，蓄能器中蓄水液面高出進、出水口位置時，蓄能器上部的空氣即無法排凈，無排放通道，存在殘余氣隙。從而在系統(tǒng)工作時，不可避免產(chǎn)生壓力波動，使輸入到噴射器中的射流壓力不均勻穩(wěn)定。其次，錐形密封螺帽(2c)內(nèi)側(cè)端為平板結(jié)構(gòu)，受壓力較高，使密封螺帽(2c)與筒形本體(2d)之間的密封螺牙受到較大的剪應力，易于失封，降低水射流的壓力，影響壓力穩(wěn)定性，這是設(shè)計中又一缺點。圖2中(2e)為蓄能器中的超高壓水。
2、磨料噴射器如圖3所示，超高壓水(10a)由高壓水輸入噴頭(10b)噴出，磨料流(10e)由于噴射產(chǎn)生的負壓虹吸作用，由側(cè)向孔進入混料腔(10c)，形成高速磨料水射流，從磨料水輸出噴頭(10f)噴射出，以切割物料。該噴射器采用單側(cè)插入式水砂混合法，水砂混合不均勻，導致噴射壓力不均勻穩(wěn)定，噴嘴單側(cè)磨損嚴重。圖3中(10d)為噴射器殼體。
3、磨料控制閥如圖4所示，圖中(12d)為砂磨料進口，調(diào)節(jié)螺桿(12j)頂推十字錐塞調(diào)節(jié)塊(12f)上下移動，調(diào)節(jié)塊(12f)頂部為錐形，當調(diào)節(jié)塊(12f)上下移動時，與進砂接口(12e)的錐孔之間的環(huán)形空隙大小隨之改變，從而調(diào)節(jié)進砂流量。在強大的高速水射流產(chǎn)生的負壓虹吸力的作用下，加上空氣流(12h)的推力，磨料經(jīng)由出砂口(12k)，經(jīng)過輸砂管(參見
圖1)，進入噴射器，由高壓水加速，通過水磨料輸入噴頭射出，進行加工切割。該種磨料控制閥的主要缺點在磨料的進口(12d)與出口(12k)的方向成直角相交，如此增加了砂流阻力。其次，空氣流(12h)的進口無調(diào)節(jié)氣流大小的裝置，易在出砂口(12k)造成砂流擁塞現(xiàn)象，砂流速度無法調(diào)節(jié)，影響到射流輸出的均勻穩(wěn)定性。
針對上述缺點，本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種新型的超高壓水射流切割機，其有較均勻穩(wěn)定的超高壓噴射流。
以下對本發(fā)明的技術(shù)方案逐一說明。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5可見，本發(fā)明包括超高壓泵(22)，蓄能器(27)、磨料箱(30)、磨料控制閥(31)、磨料噴射器(29)、輸送管道(輸水、輸砂)以及閥門(水閥、砂閥)。上述部件的連接方式為，超高壓泵(22)分別與馬達以及進水管相接(圖中僅示出水箱(23))，泵(22)的出水端通過超高壓水輸送管經(jīng)由閥門(21)、分配器(20)、三通閥(18)、荷載閥(17)，與蓄能器(27)的進水端(25)相接，蓄能器出水端(26)通過高壓水輸送管道與磨料噴射器(29)的高壓水輸入噴頭相接，磨料箱(30)通過輸砂管道經(jīng)由磨料控制閥(31)，接磨料噴射器的磨料輸入口。
由以上可見，本發(fā)明的上述主要部件的設(shè)置及連接與現(xiàn)有技術(shù)相類似。本發(fā)明的技術(shù)改進特征主要在于對磨料噴射器的噴射效果的改進，這是實現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵。磨料噴射器能均勻穩(wěn)定地噴射出高速噴射流，即能實現(xiàn)本發(fā)明的任務。磨料噴射器的噴射效果主要取決于三個因素1、噴射器本身的構(gòu)造；2、噴射器輸入物料狀態(tài)；3、輸入物料在噴射器中的混合及運行狀態(tài)。根據(jù)以上所述對本發(fā)明的技術(shù)解決方案作進一步說明。
1、蓄能器結(jié)構(gòu)的改進對蓄能器的要求，主要是要求器內(nèi)蓄水后無殘余氣隙，否則輸入磨料噴射器中的高壓水要發(fā)生波動，影響磨料噴射器輸出射流的穩(wěn)定性。本發(fā)明的蓄能器包括筒形本體、位于筒形本體兩端的密封蓋、超高壓水的進口以及出口，其特征在于所說超高壓水的進口以及出口位于蓄能器的筒形本體上。所說兩端的密封端蓋的內(nèi)側(cè)為球面，球頭與蓄能器本體內(nèi)腔之間有密封圈。
2、磨料控制閥的改進磨料控制閥的性能好壞影響到輸入磨料噴射器中的磨料的均勻性和穩(wěn)定性，從而影響到磨料噴射器輸出射流的穩(wěn)定性。本發(fā)明的磨料控制閥包括具有圓錐內(nèi)腔的進砂口、閥體、出砂接口、錐塞調(diào)節(jié)裝置以及進氣管，前三部件依次相接，錐塞調(diào)節(jié)裝置位于閥體之中，進氣管位于閥體側(cè)壁。其特征在于所說的進氣管上，有氣流流量調(diào)節(jié)閥。其次，所說的進砂接口與出砂接口的軸線處于同一直線方向。
3、磨料噴射器的改進本發(fā)明磨料噴射器包括高壓水輸入噴頭、混料腔、磨料輸入口、磨料水輸出噴頭，高壓水輸入噴頭以及磨料水輸出噴頭分別接混料腔的進口及出口，磨料輸入口位于混料腔側(cè)壁，磨料輸入口垂直位置高于高壓水輸入噴頭的噴口。其特征在于所說的噴射器的混料腔有輸入空氣流的輸入口，其位于所說混料腔的側(cè)壁部，并位于磨料輸入口的上方，所說混料腔側(cè)壁內(nèi)腔設(shè)計成準拋物面形狀。輸入空氣流的進氣管上，有氣流流量調(diào)節(jié)閥。
由于在混料腔側(cè)壁的磨料輸入口上方設(shè)計有氣流輸入口，混料腔側(cè)壁內(nèi)腔設(shè)計成準拋物面形狀，高壓水輸入噴頭的噴口的垂直位置低于磨料輸入口，如此從磨料輸入口射入的磨料一方面受到高壓水噴射形成的負壓產(chǎn)生向下的虹吸力，另一方面受到從氣流輸入口輸入的氣流在混料腔內(nèi)形成的向下方向的螺旋氣流的作用，使射入的磨料在混料腔內(nèi)形成向下方向的磨料螺旋流，當磨料到達噴射器下端時，在文杜里效應的作用下，被噴入的高壓水的負壓吸入水射流，以至在噴射器中能夠均勻地將水射流的能量傳遞到磨料粒子，磨料粒子能被均勻、穩(wěn)定加速到極高的速度(數(shù)倍于音速)，實現(xiàn)對物體的切割。在磨料控制閥的進氣管上設(shè)計有氣流流量調(diào)節(jié)閥，將磨料控制閥的進砂接口與出砂接口的軸線設(shè)計于同一直線方向，如此既減少砂流阻力，又有助于進入磨料噴射器的磨料流量調(diào)節(jié)到均勻穩(wěn)定的最佳值。將蓄能器的進水口及出水口設(shè)計在筒形本體上，能消除蓄能器中的殘余氣隙，使輸出的高壓水壓力穩(wěn)定；兩端密封端蓋內(nèi)側(cè)面設(shè)計為球面，并設(shè)計密封圈，有助于保持良好的密封，保持輸出水壓力均勻穩(wěn)定。
上述各技術(shù)改進特征，以噴射器的混料腔設(shè)計有輸入空氣流的輸入口為最主要的特征。在此特征能滿足的情況下，即使選用其他結(jié)構(gòu)的蓄能器或磨料控制閥，也能使輸出高壓射流的均勻性及穩(wěn)定性有明顯的改善。當然，如加上本發(fā)明的蓄能器及磨料控制閥，則有更好的技術(shù)效果。
圖1為美國流體工業(yè)公司11－X型超高壓水射流切割機結(jié)構(gòu)圖；圖2為11－X射流切割機中蓄能器結(jié)構(gòu)圖；圖3為11－X射流切割機中磨料噴射器結(jié)構(gòu)圖4為11－X射流切割機中磨料控制閥結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明超高壓水射流切割機結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明中蓄能器結(jié)構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明中磨料控制閥結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明中磨料噴射器結(jié)構(gòu)圖；以下給出本發(fā)明的實施例參見圖6，蓄能器的筒形本體(27c)上有超高壓水的進口(27b)以及出口(27d)，進口(27b)及出口(27d)可以設(shè)計在側(cè)壁的上方，也可以分別設(shè)計在上、下兩個方向。球頭與蓄能器本體內(nèi)腔面之間的密封圈用○型密封環(huán)，采用防噴環(huán)墊，確保內(nèi)腔密封。蓄能器腔體選用極限抗拉強度σb≥100公斤／平方毫米，延伸率δ≥15％的合金鋼如38Cr MOA1，33CrNi3Mo，35CrMnMo等，優(yōu)先選用35CrMnMo。螺旋封頭的材料，使用40Cr材料即可。
磨料噴射器見圖8示，(29a)為高壓水接口，(29b)為高壓水噴射器，其下端有內(nèi)置噴嘴(29l)，(29c)為壓緊螺帽，(29d)為氣流入口及其調(diào)節(jié)閥，(29e)為磨料輸入管，(29f)為混料腔，(29g)為磨料噴管座，(29h)為定位螺帽座，(29i)為磨料噴嘴，(29j)為錐形彈簧夾，(29k)為嵌件，(29m)為定位螺帽，(29n)為定位壓板，各部件相對位置如圖示，高壓水噴射器(29b)有內(nèi)置噴嘴(29l)，其噴口垂直位置位于磨料輸入口(29e)下方，磨料輸入口(29e)位于混料腔(29f)的側(cè)壁，空氣流輸入口(29d)也位于混料腔(29f)的側(cè)壁，并位于磨料輸入口(29e)的上方。其他各部件相對位置如圖示。
噴射器混料腔體可采用40Cr材料，磨料噴管座的材料其強度與表面硬度應大于混料腔的材料，硬度應達到Hrc＝60－62。磨料噴嘴可用硬質(zhì)合金B(yǎng)k3等，硬度應在Hrc＝81－83。
磨料控制閥結(jié)構(gòu)見圖7，其中(31a)為手動轉(zhuǎn)輪，(31b)為螺旋絲桿，(31c)為下輸砂接管，(31d)為調(diào)節(jié)螺母，(31e)為拉桿，(31f)為上端支座，(31g)為上輸砂接管，(31h)為塑料上輸砂管，(31i)為進砂口，(31j)為錐端十字伸縮頭，(31k)為○形密封圈，(31l)為錐端氣流調(diào)節(jié)旋塞，(31m)為限位園柱銷，(31n)為下端支座，(31o)為定位螺釘，(31p)為塑料下輸砂管，各部件相對位置如圖7示出。上端支座(31f)帶有圓錐內(nèi)腔的出砂口，其與調(diào)節(jié)螺母(31d)兼作為閥體，其中調(diào)節(jié)螺母(31d)有圓錐內(nèi)腔的出砂口，手動轉(zhuǎn)輪(31a)依次與螺旋絲桿(31b)、調(diào)節(jié)螺母(31d)、錐端十字伸縮頭(31j)相接。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪(31a)，絲桿(31b)、螺母(31d)依次轉(zhuǎn)動，使十字伸縮頭(31j)上下移動，其錐端與上端支座(31f)的圓錐內(nèi)腔之間的環(huán)形隙縫大小隨之改變，使進砂流量隨之改變。轉(zhuǎn)動錐端氣流調(diào)節(jié)閥(31l)，改變通入閥體的氣流量，使閥體中的壓力狀態(tài)改變，從而也使砂流量隨之改變。其中錐端十字伸縮頭材料可采用合金鋼40Cr，淬火硬度Hrc＝45－48。
參見圖5，圖中的超高壓泵(22)采用超高壓往復泵，一次加壓到位，取代液壓傳動的兩次增壓泵，例如3WCB－4(9134A)型泵，由電機帶動飛輪直接驅(qū)動加壓泵，最高加壓(介質(zhì)為水)可達4000公斤／平方厘米，流量為2升／分。
以下是本發(fā)明切割不同材料的試驗數(shù)據(jù)
權(quán)利要求1.超高壓水射流萬能切割機，包括超高壓泵、蓄能器、磨料箱、磨料控制閥、磨料噴射器、輸送管道以及閥門；其中磨料噴射器包括高壓水輸入噴頭、混料腔、磨料輸入口、磨料水輸出噴頭，高壓水輸入噴頭以及磨料水輸出噴頭分別接混料腔進口及出口，磨料輸入口位于混料腔側(cè)壁，磨料輸入口垂直位置高于高壓水輸入噴頭噴口；其中蓄能器包括筒形本體、位于筒形本體兩端的密封端蓋、超高壓水的進口以及出口；其中磨料控制閥包括具有圓錐形內(nèi)腔的進砂接口、閥體、出砂接口、錐塞調(diào)節(jié)裝置以及進氣管，前三部件依次相接，進氣管位于閥體側(cè)壁；超高壓泵分別與馬達以及進水管相接，其出水端通過超高壓水輸送管路經(jīng)由閥門與蓄能器相接，蓄能器出水端經(jīng)過高壓水輸送管道與磨料噴射器的高壓水輸入噴頭相接，磨料箱通過輸砂管道經(jīng)由磨料控制閥，接磨料噴射器的磨料輸入口；本發(fā)明的特征在于所說的噴射器的混料腔有輸入空氣流的輸入口。
2.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說的噴射器的混料腔的側(cè)壁內(nèi)腔是準拋物面形狀。
3.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說的輸入空氣流的輸入口位于混料腔的側(cè)壁部。
4.依照權(quán)利要求3所說的切割機，其特征在于所說的輸入空氣流的輸入口位于磨料輸入口的上方。
5.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說磨料控制閥的進氣管上，有氣流流量調(diào)節(jié)閥。
6.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說磨料控制閥的進砂接口與出砂接口的軸線處于同一直線方向。
7.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說蓄能器的超高壓水進口以及出口位于蓄能器的筒形本體上。
8.依照權(quán)利要求1所說的切割機，其特征在于所說蓄能器的密封端蓋的內(nèi)側(cè)為球面，球頭與蓄能器本體內(nèi)腔之間有密封圈。
專利摘要超高壓水射流萬能切割機，包括超高壓泵、蓄能器、磨料噴射器、磨料控制閥、輸送管道以及閥門，特征是磨料噴射器的混料腔側(cè)壁有磨料輸入口及空氣流輸入口，磨料輸入口的位置高于高壓水噴口，空氣流輸入口位置高于磨料輸入口；畜能器的高壓水進口以及出口位于蓄能器的側(cè)壁，磨料控制閥的進氣管上有氣流流量調(diào)節(jié)閥，磨料控制閥的進砂接口與出砂接口的軸線處于同一直線方向。
文檔編號B23P17/00GK2205277SQ93237588
公開日1995年8月16日 申請日期1993年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月3日
發(fā)明者湯燮銘, 吳錦昌 申請人:湯燮銘, 吳錦昌