用于磨料射流切割系统的精细切口切割的喷嘴的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及使用携载磨料的液体的高压射流来切割工件的磨料射流切割 系统，并且更具体地，涉及一种适用于这种系统的具有改进的结构并允许精细切口切割 (fine-kerf cutting)的喷嘴和刀头（cutting head)。
【背景技术】
[0002] 使用流体的高压射流的切割系统是本领域公知的。本领域所知的各种这类布置通 常被称作"水射流（water jet)"系统。一些这类系统使用仅含液体的射流，并通常被称作 "仅含水的射流（water-only jet)"或"WJ"系统。其他系统涉及使用携载磨料的液体的射 流。一些这种系统涉及使用干磨料，并通常被称作"磨料水射流（abrasive water jet)"或 "AWJ"系统。其他这种系统涉及使用磨料衆（abrasive slurry)或衆体，并通常被称作"磨 料浆射流"或"磨料浆体射流"或"ASJ"。
[0003] 图1显示了用于示例性现有AWJ系统的示例的刀头10的示例。在示例的刀头10 中，高压液体从入口 12通过由晶体14(通常由蓝宝石（sapphire)或金刚石（diamond)制 成）限定的小喷孔（通常直径约为〇. 1至〇. 7_)流出。离开晶体14的精细射流进入混合 腔16。石植石（garnet)或其他研磨材料的小颗粒通过入口 18被供给到混合腔16。
[0004] 然后，射流流过喷嘴主体22上的细长的聚焦管（focusing tube) 20,聚焦管20通 常用于加速射流并使颗粒夹带在液体流动的方向上。聚焦的水射流随后通过聚焦管20的 出口 24离开。该射流（包括夹带的磨料颗粒）能够随后被用于切割金属或其他材料制成 的工件5。
[0005] 在一些实施方式中，磨料颗粒相对粗糙，具有范围为0. 075mm至0. 350mm的平均粒 度。在这种实施方式中，磨料颗粒通常在空气/气体流束中重力给料（gravity-fed)到混 合腔16中，其中空气/气体流束用作输送介质。举例来说，这种实施方式适用于获得范围 约为〇· 45謹至2. 5謹的切口尺寸。
[0006] 在刀头10中，晶体14和出口 24之间的能量损耗可能会不合希望地高。在某种程 度上，水的动能因需要加速研磨材料而损失。另外，由于磨料颗粒撞击在壁上（特别是在混 合过程中），在混合腔16和聚焦管2中会发生显著的摩擦损耗。
[0007] 切割的切口宽度与携载磨料的射流的直径成比例。通常希望形成相对小的切口切 害J，并且存在对上述系统中能够获得的切口尺寸的下限（lower limit)，因为切口尺寸很大 程度上依赖于射流和磨料颗粒尺寸，并且存在粒度极限，低于该极限，磨料颗粒开始成团并 因而不能令人满意地通过重力给料和/或空气流流动。传统的商业可获得的AWJ系统通常 将最小切口尺寸限定在约〇. 45mm以上。通过减小AWJ喷嘴的尺寸来形成小于0. 45mm的切 口存在问题。
[0008] 为了获得更小的切口，ASJ系统涉及使用液体作为用于形成预混浆体的更细/更 小的磨料颗粒的输送介质。这种系统与上面参考图1说明的AWJ系统相似，但通常涉及将悬 浮有磨料颗粒的高压浆体从入口 12通过由晶体限定的小喷孔（通常由蓝宝石或金刚石制 成）供给，如图2所示。离开该晶体的精细射流用于切割目的。因为磨料颗粒夹带在供给给 晶体的浆体中，因而无需混合腔。例如，传统的ASJ系统对于范围在约.008mm至约.080mm 的粒度工作良好，从而提供宽度约〇· Olmm至〇· 2mm的切口尺寸。
[0009] 这种基于浆体的系统避免了一定量的上述的能量损耗，但仍然因夹带的磨料颗粒 的切割作用而遭受快速磨损。这使得ASJ系统商业上不可行，特别是不能长期用于在很多 商业制造应用中所需的厚材料。
[0010] 另外，由于减小了射流尺寸来产生精细切口，对于类似的切割作用来说，需要更高 的射流压力和速度，这导致喷嘴和/或聚焦管的加重磨损和缩短使用寿命。举例来说，典型 的AWJ喷嘴可能具有大约50-约100小时的使用寿命，而典型的ASJ喷嘴可能具有约不到 1小时的使用寿命。
[0011] 因此，这些方式导致了切口的不合需要的大的宽度、不合需要的喷嘴磨损和/或 导致不连续切割。
[0012] 需要一种适用于更长时间的进行精细切割的刀头、喷嘴和高压磨料射流切割系 统。
【发明内容】
[0013] 本发明提供一种提供精细切口切割的新的刀头、喷嘴和高压磨料射流切割系统。 另外，所述刀头、喷嘴和切割系统尤其适于使用平均粒度小于约250微米（并且更具体的， 所述平均粒度为从约15至225微米）的非常细的磨料颗粒的精细切口切割（例如，从约 0. 050至约0. 45mm)，并且优选小于约150微米。
[0014] 所述系统和刀头包括所述喷嘴。所述喷嘴具有喷嘴主体，该喷嘴主体限定沿轴线 延伸的细长通道。所述细长通道具有混合段和聚焦段。所述聚焦段具有终止于用于产生高 压射流的出口孔的聚焦部。所述混合段具有侧壁，该侧壁限定与所述细长通道流体连通的 口，以允许包括悬浮在流体中的磨料颗粒的浆体的低压流进入。所述混合段的侧壁设置为 具有释放部，该释放部从所述口朝向所述聚焦段径向向内延伸。在一些实施方式中，该渐缩 从所述口到所述聚焦段是连续的。
【附图说明】
[0015] 通过参考附图将有利于对下文说明的理解，附图中：
[0016] 图1是用于磨料水射流（AWJ)切割系统的示例的现有的刀头的横截面示意图；
[0017] 图2是用于磨料浆体（ASJ)切割系统的示例的现有的刀头的横截面示意图；
[0018] 图3是根据本发明的示例实施方式的示例的刀头的立体图；
[0019] 图4是图3所示的刀头沿图3的沿AA线截取的横截面视图；
[0020] 图5是图3所示的刀头沿图3的沿BB线截取的横截面视图；
[0021] 图6是图3所示的刀头的分解图；
[0022] 图7是图3所示的刀头的喷嘴的放大图；
[0023] 图8是图7所示的喷嘴在工作过程中的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明涉及一种包括特定结构的喷嘴的刀头和切割系统，其中所述喷嘴具有新颖 的内部几何结构，该内部几何结构设置为提供精细切口切割。示例的刀头50的立体图和横 截面视图显示在图3和图4中。
[0025] 现在参考图3和图4,示例的刀头50可以与现有的刀头在以下方面通常一致：刀 头50包括入口段（inlet stage)60,该入口段60限定用于接收来自泵（未图示）的加压液 体的液体供给管路62。如现有技术中所知，射流是由泵送高压液体穿过孔产生的，以获得基 于伯努利原理的超音速。通常，以大约1000到6000巴（bar)的压力供给该加压液体，并且 如本领域技术人员所知，更常使用的范围为3500到4500巴。如本领域技术人员所知，液体 可以是水或者水和用于降低射流在离开喷嘴时的分散的添加剂的混合物。管道62终止于 限定入口孔66的模具（die)64。入口孔66的尺寸设置为具有比所述管道更小的横截面积， 并因此产生精细、高速的液体射流。例如，入口孔66可以具有范围为约0. 08至约0.