专利名称：一种液态金属刀切割系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压液态金属刀切割系统，特别涉及一种采用液态金属作为切割工质，通过电磁加压泵加压后对工件进行切割的高压液态金属刀切割系统。
背景技术：
人类自古就利用流体的冲击力，制造出了水车、水磨等水利机械。而如果流体从高压喷嘴喷出则产生更大的冲击力。受此启发，前苏联科学家开发出了高压水喷流切割技术。 流体切割相比于电锯、电弧切割和激光切割来，有很多的优越性。它的速度极快，可以按照用户需求切割各式工件；其次，加工为冷加工，不用担心切割时引起的工件燃烧、变形问题； 最后，加工没有电火花，可以防止强光对人的伤害。因此水刀加工方式也越来越多的应用于材料加工中，特别是航天领域钛等金属的切割。在水刀的加工工程中，泵是水刀系统的核心部件。对水进行加压并连续输出水流， 可让切割刀将高压水变成超音速水射流。但是传统的泵都是机械泵，噪音大，而且容易磨损出故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液态金属刀切割系统，是一种采用室温液态金属作为切割工质的高压液态金属刀切割系统，这是国内外在高压流体切割刀技术上的崭新技术； 由于工作流体是液态金属，因而易于采用功耗小、无运动部件的电磁泵或其他效应泵驱动； 而且相比于水，液态金属的密度大，从而在相同的流量下，冲击力更大，切削力更强。本发明的技术方案如下本发明提供的液态金属刀切割系统，其包括一内装液态金属的储液态金属储罐、 一加压泵、一切割装置、一工作台、一液态金属回收容器和一数控台；所述切割装置包括直径为0. Ol-IOmm的切割喷嘴和与所述切割喷嘴上端相连通的整流腔；所述整流腔为一上部体积大下部体积小的梯形空腔；所述整流腔侧壁上装有通过柔性软管与所述加压泵出口相连通的液态金属进口管；所述整流腔侧壁上还开有一观察孔，该观察孔上装有监视器，所述切割监视器为一微型摄像头；所述加压泵入口与所述液态金属罐出口相连通；所述工作台为带有中心出料孔的平板工作台，该平板工作台位于所述切割喷嘴的下方；所述液态金属回收容器位于所述工作台的正下方；所述液态金属回收容器下部通过连接管道与液态金属储罐底部相连通，在所述的连接管道上装有回收泵；所述数控台包含用于计算切割前参数的处理器以及切割参数的数据库；处理器用于计算切割时的相关切割参数，所述数据库用于记录与切割材料相对应的切割参数及切割结果；所述切割装置安装在电机的电机轴上，所述切割装置的切割喷嘴与所述电机的电机轴同轴；所述电机接收数控台给出的操作指令，并按所述指令控制切割装置的切割喷嘴的切割路径，以完成对置于工作台上待切割工件的切割。本发明提供的液态金属刀切割系统，还包括装于所述整流腔上部的磨料进口管， 所述磨料进口管与带有磨料控制阀的磨料供给器相连通；所述液态金属回收容器与回收泵相连的连接管道上装有与所述磨料供给器相连通的液固分离装置。笨发明提供的液态金属刀切割系统，还可包括位于所述工作台之上的真空罩15， 所述真空罩将置于工作台的待切割工件及切割喷嘴罩于其中。所述的液态金属储罐为耐受液态金属腐蚀的容器。所述的液态金属为室温下能呈现液态的镓、汞、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。所述的加压泵为将液态金属流体压力提升到300-500MPa的电磁泵；所述液态金属在切割喷嘴的出口流速不小于3倍声速。所述液态金属储罐与加压泵之间的连接管道上安装安全阀；所述安全阀为安装在液态金属储罐出口柔性软管上的一个阀门，当发生操作失误或者操作事故时，可以通过关闭该安全阀切断液态金属的流动。所述磨料供给器内装的磨料为石榴石砂或铜砂(但不局限于石榴石砂或铜砂，原则上可为任意磨料)。本发明的液态金属刀切割系统可以通过给液态金属加压至300_500MPa，从直径为 0. Ol-IOmm的喷嘴以不小于3倍声速的速度喷至待切割工件4表面，达到对待切割工件4进行切割的目的；相比于以往的线切割等切割方式，本发明的液态金属刀切割系统具有以下优点(1)通用性可以切割“任何”材质包括不锈钢、铝合金、玻璃、大理石、塑料、橡胶和木材等等；(2)灵活性利用数控操作导入的CAD设计图形，可切割任何形状；(3)环保不会产生烟尘和有毒气体；(4)快速无须更换及调节刀具，也无需二次除削；(5)无高热影响区整个切割过程为冷切割，不会引起板材变质和变形。而本发明的液态金属刀切割系统相比于高压水刀，其优势在于(1)加压水刀需要采用高压机械泵才能使得水具有高压；而液态金属除了能够采用和水一样的高压机械泵之外，还可以根据其本身的金属特性，使用完全没有运动部件的电磁泵加压，即通过电磁场产生的洛伦兹力来提高液态金属切割所需要的压力；此外，电磁泵的使用还能够减少整个系统中的一个运动部件和噪声来源，从而保证系统更加安全可
罪；(2)减少工业用水随着工业化的发展，工业化用水问题也越来越引起了人们的关注；水刀在整个切割系统中，大量水的应用以及蒸发损耗造成了巨大的浪费；而本发明的液态金属虽然在室温下为液态，但是蒸发温度极高，在室温下无蒸发损耗，其应用可以实现无水化切割；(3)物性液态金属的密度远比水大，比如嫁的密度为水的6倍。在相同的流量下， 液态金属对工件的冲击力更大，从而切削力更强；(4)磨料配合方面液态金属的粘性比水大，具有表面张力远远大于水等特点，使得液态金属可以和某些特定的磨料(比如铜砂)更加充分地混合。本发明的工作原理如下数控台9通过用户所给出的CAD图，给出相应的切割指令并将切割指令传递至电机8，电机8根据指令的要求操作切割装置3的切割喷嘴31在平面上和高度上的切割路径；另一方面处于液态金属储罐1中的液态金属通过加压泵2加压至 300-500MPa左右，通过切割装置中的整流腔33进行整流(需要时，还克携带磨料)，通过切割喷嘴喷31喷至待切割工件4表面，达到对待切割工件4进行切割的目的；最后，切割完毕的液态金属被收集至液态金属回收容器6中，被回收的液态金属/磨料混合溶液经过液固分离器装置14的分离后，液态金属返回液态金属储罐1 ；磨料返回磨料供给器12，从而确保在使用尽量少的液态金属和磨料时系统仍能持续稳定地完成对工件的切割工作；本发明中由于采用了液态金属作为切割工质，可以使用功耗很小的电磁泵驱动，而电磁泵不仅无噪音无运动部件，其体积也可以做得很小，从而保证系统紧凑。
附图1(a)为本发明的液态金属刀切割系统的结构示意图；附图1 (b)为切割装置3的结构示意图；附图2为无磨料供给器时的液态金属刀切割系统的结构示意图；附图3为真空操作的液态金属刀切割系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明实施例1图3为本发明的液态金属刀切割系统(实施例1)的结构示意图；图1 (b)为切割装置3的结构示意图；由图可知，本实施例的液态金属刀切割系统，其包括一内装液态金属的液态金属储罐1、一加压泵2、一切割装置3、一工作台5、一液态金属回收容器6和一数控台9 ；如图2所示，所述切割装置3包括直径为0. Ol-IOmm的切割喷嘴31和与所述切割喷嘴31上端相连通的整流腔33 ； 所述整流腔33为一上部体积大下部体积小的梯形空腔；所述整流腔33侧壁上装有通过柔性硅胶管11与所述加压泵2出口相连通的液态金属进口管34 ；所述整流腔33侧壁上还开有一观察孔，该观察孔上装有监视器32，所述切割监视器32为一微型摄像头；所述加压泵2入口与所述液态金属储罐1出口相连通；所述工作台5为带有中心出料孔的平板工作台，该平板工作台位于所述切割喷嘴 31的下方；所述液态金属回收容器6位于所述工作台5的正下方；
所述液态金属回收容器6下部通过连接管道与液态金属罐储底部相连通，在所述的连接管道上装有回收泵7 ；所述数控台9包含用于计算切割前参数的处理器以及切割参数的数据库；处理器用于计算切割时的相关切割参数，所述数据库用于记录与切割材料相对应的切割参数及切割的结果；所述切割装置3安装在电机8电机轴上，所述切割装置3的切割喷嘴31与所述电机8电机轴同轴；所述电机8接收数控台9给出的操作指令，并按所述指令控制切割装置3 的切割喷嘴31的切割路径，以完成对置于工作台5上待切割工件4的切割。实施例2图1(a)为本实施例的液态金属刀切割系统的结构示意图；图1(b)为切割装置3 的结构示意图；由图可知，本实施例的液态金属刀切割系统与实施例1不同的是还包括装于所述整流腔33上部的磨料进口管35，所述磨料进口管35与带有磨料控制阀13的磨料供给器12相连通；所述液态金属回收容器6与回收泵7相连的连接管道上装有与所述磨料供给器12相连通的液固分离装置14。实施例3图3为本实施例的液态金属刀切割系统的结构示意图；图1(b)为切割装置3的结构示意图；由图可知，本实施例的液态金属刀切割系统与实施例2不同的是还包括安装在工作台5之上的真空罩15，所述真空罩15将置于工作台5的待切割工件4及切割喷嘴31 罩于其中。实施例4本实施例的液态金属刀切割系统与实施例1不同的是还包括安装在工作台5之上的真空罩15，所述真空罩15将置于工作台5的待切割工件4及切割喷嘴31罩于其中。上述实施例中的液态金属储罐1为能够储存液态金属的容器，包括所有能够存储液态金属并且能够防止被液态金属腐蚀的容器；比如采用存储镓的塑料瓶，可以直接在市面上买到或者根据需要定制，工艺比较成熟；使用的液态金属为室温下能呈现液态的镓、汞、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。镓基二元合金可选镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；镓基多元合金可选镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。为提高液态金属压力的加压泵2，考虑到液态金属本身的特性，加压泵2可以是电磁泵一通过给流动的液态金属施加电磁场后在流动的方向上产生洛伦兹力来提升液态金属压力的泵；用于切割的加压泵2可以(但是不局限于)将切割流体的压力提升到 300-500MPa ；切割喷嘴31的直径可以是但不局限于0. Ol-IOmm ；液体金属流体以不小于声速3 倍左右的速度由切割喷嘴31处喷出；普通的液态金属可以直接切割纸张，皮革等物质；通过在液态金属中掺杂磨料还可以实现对金属材质工件的切割；切割监视器32为安装在切割喷嘴31上方的微型摄像头，用于监测切割喷嘴31切割工件的情况，并将切割信号及时传回数控台9，以达到远程监控的目的。一整流腔33为在切割喷嘴31上方的上小下大的一个梯形空腔，其作用是使得高速流体的流动更加平稳；整流腔33还能使液态金属和磨料的混合更加充分，混合流体的流动更加稳定；液态金属进口管34为装于整流腔33侧壁上并与所述整流腔33相连通的一段连接管，为液态金属进入切割装置3的入口；磨料进口管35为装于所述整流腔33顶盖上并与所述整流腔33相连通的一段连接管，为磨料进入切割装置3的入口；待切割工件4可几乎可以为任何的材质工件，包括不锈钢，铝合金，玻璃，大理石， 塑料，橡胶或木材等。工作台5是用来支撑被切割的工件，并为整个系统提供一个操作平台。液态金属回收容器6为处于工作台5下方的一个容器，用于收集切割之后的液态金属流体；液固分离器用于将回收的含有液态金属和磨料的混合切割流体中的液态金属和磨料进行分离；回收泵7用于为分离后的液态金属返回液态金属储罐1提供足够的驱动力；电机8用于执行数控台9给出的操作指令；精确地控制切割装置3的切割路径；所述数控台9包含用于计算切割前参数的处理器以及切割参数的数据库；处理器用于计算切割时的相关切割参数，所述数据库用于记录与切割材料相对应的切割参数及切割的结果；所述电机8的电机轴与切割喷嘴31轴向相连；所述电机8接收数控台9给出的操作指令，并按所述指令控制切割喷嘴31的切割路径，以完成对放置于工作台5上待切割工件的切割。安全阀10为安装在液态金属罐1出口软管上的一个阀门，当发生操作失误或者操作事故时，可以通过关闭该阀门来切断整个环路中液态金属的流动，以保证系统的安全。柔性软管11为能够抗液态金属腐蚀的柔性管道，可以但不局限于使用硅胶管等制作；用于为系统中的液态金属的流动提供一个柔性通路；磨料供给器12为切割装置3在切割金属等硬度比较大的工件时为流体提供所需参杂的磨料，以加大切割装置的切削力；磨料控制阀13为能够精确调节进入切割装置3的磨料量的阀门，以保证切割溶液达到最佳的液态金属/磨料混合比。在工作的过程中，一方面数控台9通过用户所给出的CAD图，给出相应的切割指令并将切割指令传递至电机8，电机8根据指令的要求操作切割装置3在平面上和高度上的切割路径。另一方面处于液态金属储罐1中的液态金属通过加压泵2加压至300-500MPa左右，通过切割装置3中的整流腔33中整流并且携带磨料，通过直径为Imm左右的喷嘴31喷至工件5表面，达到切割的目的。最后，切割完毕的液态金属被收集至回收容器6中，被回收的液态金属/磨料混合流体经过液态金属/磨料分离器14的分离后，分别返回液态金属储罐1和磨料供给器12，从而确保在尽量少的液态金属下，切割系统持续稳定地切割工件。本发明具有很多优点，首先，使用液态金属作为切割工质，切削力更强；整个切割系统中液态金属的是完全无蒸发损耗的循环利用，甚至还可以完全封闭地将系统至于真空环境中，从而不会对环境造成影响，因为具有明显的环保性。此外在整个系统中，液态金属可以使用功耗小，无运动部件的电磁泵作为加压泵，从而保证整个系统的节能和稳定。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种液态金属刀切割系统，其包括一内装液态金属的液态金属储罐、一加压泵、一切割装置、一工作台、一液态金属回收容器和一数控台；所述切割装置包括直径为0. Ol-IOmm的切割喷嘴和与所述切割喷嘴上端相连通的整流腔；所述整流腔为一上部体积大下部体积小的梯形空腔；所述整流腔侧壁上装有通过柔性软管与所述加压泵出口相连通的液态金属进口管；所述整流腔侧壁上还开有一观察孔，该观察孔上装有监视器，所述切割监视器为一微型摄像头；所述加压泵入口与所述液态金属储罐出口相连通；所述工作台为带有中心出料孔的平板工作台，该平板工作台位于所述切割喷嘴31的下方；所述液态金属回收容器位于所述工作台的正下方；所述液态金属回收容器下部通过连接管道与液态金属储罐底部相连通，在所述的连接管道上装有回收泵；所述数控台包含用于计算切割前参数的处理器以及切割参数的数据库；处理器用于计算切割时的相关切割参数，所述数据库用于记录与切割材料相对应的切割参数及切割结果；所述切割装置安装在电机的电机轴上，所述切割装置的切割喷嘴与所述电机的电机轴同轴；所述电机接收数控台给出的操作指令，并按所述指令控制切割装置的切割喷嘴的切割路径，以完成对置于工作台上待切割工件的切割。
2.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，还包括装于所述整流腔上部的磨料进口管，所述磨料进口管与带有磨料控制阀的磨料供给器相连通；所述液态金属回收容器与回收泵相连的连接管道上装有与所述磨料供给器相连通的液固分离装置。
3.按权利要求1或2所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，还包括位于所述工作台之上的真空罩，所述真空罩将置于工作台的待切割工件及切割喷嘴31罩于其中。
4.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述的储液态金属储罐1为耐受液态金属腐蚀的容器。
5.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述的液态金属为室温下能呈现液态的镓、汞、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金 O
6.按权利要求5所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
7.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述的加压泵2为将液态金属流体压力提升到300-500MPa的电磁泵。
8.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述液态金属在切割喷嘴的出口流速不小于3倍声速。
9.按权利要求1所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述液态金属罐1与加压泵2之间的连接管道上安装安全阀；所述安全阀为安装在液态金属储罐出口柔性软管上的一个阀门，当发生操作失误或者操作事故时，可以通过关闭该安全阀切断液态金属的流动。
10.按权利要求2所述的液态金属刀切割系统，其特征在于，所述磨料供给器内装的磨料为石榴石砂或铜砂。
全文摘要
一种液态金属刀切割系统包括其切割装置包括切割喷嘴和与切割喷嘴上端连通的整流腔；整流腔侧壁上装有通过软管与加压泵出口连通的进口管；整流腔侧壁上的观察孔上装微型摄像头；加压泵入口与液体金属储罐出口连通；工作台在切割喷嘴下方；回收容器再工作台下方；回收容器下部的连接管道与储罐底部连通，其管道上装回收泵；数控台包含处理器以及数据库；处理器用于计算切割时的相关切割参数，数据库用于记录与切割材料相对应的切割参数及切割结果；切割装置的切割喷嘴与电机轴同轴；电机接收数控台给出的操作指令，并按指令控制切割装置的切割喷嘴的切割路径，完成对待切割工件的切割；本切割系统切割精度高，稳定，且噪音较低，节能环保。
文档编号B24C3/00GK102554798SQ201010608779
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘静, 马璐 申请人:中国科学院理化技术研究所