专利名称：超高压水射流万能切割机的制作方法
技术领域：
本发明属于切割机械。
超高压水射流万能切割机的工作原理，是用超高压泵将水加压到数千公斤／平方厘米的高压，然后通过特制的管路联接到一个极细小的、由耐磨材料制成的小孔射出，这时水的喷射速度可达到数倍音速。利用这一股极高的射流速度，对物体进行切割。在高速射流中如掺入磨料，即可切割最坚硬的材料。因属常温切割，没有因高温带来的对被切割材料(如金属板，石板等)的热影响问题。
与本发明相接近的现有技术是美国流体工业公司生产的11－X型超高压水射流切割机，其结构图如
图1，电动机(5)带动油泵(6)，输出压力达200公斤／平方厘米的油液，通过管道(4)，带动二级增压泵(3)(双向双作用二级增压泵)。按所需切割压力和流量要求，增压泵(3)用30－60匹马力的马达驱动。经增压泵(3)泵出的高压水(压力达3800公斤／平方厘米左右)进入蓄能器(2)，其作用是依靠水的可压缩性来保持输出高压水压力的稳定性。由蓄能器(2)出来的高压水通过管路(8)及阀门(9)，进入高压水喷射器(10)，对工件(15)进行切割，此为净水射流切割。当切割硬度较大的工件时，可在高压水中掺入磨料磨料箱(13)中的磨料在喷射器(10)喷出的高速水射流产生的负压虹吸作用下，通过磨料射流控制阀(又称砂阀或磨料控制阀)(12)及输砂管(11)进入喷射器(10)，形成磨料水射流进行切割。带有被切割材料碎屑的磨料水流通过回收口(16)流入收集池。油池(7)对泵(6)及泵(3)形成供油回路。(1)为进水口，(14)为进气孔。从上述可见，该机器的主要组成部件有超高压泵、蓄能器，喷射器、磨料射流控制阀。美制11－X型机存在若干缺点1、蓄能器结构如图2所示，其由进水口(2a)、出水口(2f)、筒形本体(2d)、锥形密封螺帽(2c)以及锁紧螺帽(2b)组成，出水口与进水口分别有超高压输液管(8b)、(8a)，输液管(8b)、(8a)分别穿过两端密封螺帽(2c)以及锁紧螺帽(2b)，输液管(8b)以及(8a)都沿蓄能器轴心线水平配置。因而在蓄能器卧式放置时，蓄能器中蓄水液面高出进、出水口位置时，蓄能器上部的空气即无法排净，无排放通道，存在残余气隙。从而在系统工作时，不可避免产生压力波动，使输入到喷射器中的射流压力不均匀稳定。其次，锥形密封螺帽(2c)内侧端为平板结构，受压力较高，使密封螺帽(2c)与筒形本体(2d)之间的密封螺牙受到较大的剪应力，易于失封，降低水射流的压力，影响压力稳定性，这是设计中又一缺点。图2中(2e)为蓄能器中的超高压水。
2、磨料喷射器如图3所示，超高压水(10a)由高压水输入喷头(10b)喷出，磨料流(10e)由于喷射产生的负压虹吸作用，由侧向孔进入混料腔(10c)，形成高速磨料水射流，从磨料水输出喷头(10f)喷射出，以切割物料。该喷射器采用单侧插入式水砂混合法，水砂混合不均匀，导致喷射压力不均匀稳定，喷嘴单侧磨损严重。图3中(10d)为喷射器壳体。
3、磨料控制阀如图4所示，图中(12d)为砂磨料进口，调节螺杆(12j)顶推十字锥塞调节块(12f)上下移动，调节块(12f)顶部为锥形，当调节块(12f)上下移动时，与进砂接口(12e)的锥孔之间的环形空隙大小随之改变，从而调节进砂流量。在强大的高速水射流产生的负压虹吸力的作用下，加上空气流(12h)的推力，磨料经由出砂口(12k)，经过输砂管(参见
图1)，进入喷射器，由高压水加速，通过水磨料输入喷头射出，进行加工切割。该种磨料控制阀的主要缺点在磨料的进口(12d)与出口(12k)的方向成直角相交，如此增加了砂流阻力。其次，空气流(12h)的进口无调节气流大小的装置，易在出砂口(12k)造成砂流拥塞现象，砂流速度无法调节，影响到射流输出的均匀稳定性。
针对上述缺点，本发明的目的在于设计一种新型的超高压水射流切割机，其有较均匀稳定的超高压喷射流。
以下对本发明的技术方案逐一说明。其结构如图5所示。从图5可见，本发明包括超高压泵(22)，蓄能器(27)、磨料箱(30)、磨料控制阀(31)、磨料喷射器(29)、输送管道(输水、输砂)以及阀门(水阀、砂阀)。上述部件的连接方式为，超高压泵(22)分别与马达以及进水管相接(图中仅示出水箱(23))，泵(22)的出水端通过超高压水输送管经由阀门(21)、分配器(20)、三通阀(18)、荷载阀(17)，与蓄能器(27)的进水端(25)相接，蓄能器出水端(26)通过高压水输送管道与磨料喷射器(29)的高压水输入喷头相接，磨料箱(30)通过输砂管道经由磨料控制阀(31)，接磨料喷射器的磨料输入口。
由以上可见，本发明的上述主要部件的设置及连接与现有技术相类似。本发明的技术改进特征主要在于对磨料喷射器的喷射效果的改进，这是实现本发明的关键。磨料喷射器能均匀稳定地喷射出高速喷射流，即能实现本发明的任务。磨料喷射器的喷射效果主要取决于三个因素1、喷射器本身的构造；2、喷射器输入物料状态；3、输入物料在喷射器中的混合及运行状态。根据以上所述对本发明的技术解决方案作进一步说明。
1、蓄能器结构的改进对蓄能器的要求，主要是要求器内蓄水后无残余气隙，否则输入磨料喷射器中的高压水要发生波动，影响磨料喷射器输出射流的稳定性。本发明的蓄能器包括筒形本体、位于筒形本体两端的密封盖、超高压水的进口以及出口，其特征在于所说超高压水的进口以及出口位于蓄能器的筒形本体上。所说两端的密封端盖的内侧为球面，球头与蓄能器本体内腔之间有密封圈。
2、磨料控制阀的改进磨料控制阀的性能好坏影响到输入磨料喷射器中的磨料的均匀性和稳定性，从而影响到磨料喷射器输出射流的稳定性。本发明的磨料控制阀包括具有圆锥内腔的进砂口、阀体、出砂接口、锥塞调节装置以及进气管，前三部件依次相接，锥塞调节装置位于阀体之中，进气管位于阀体侧壁。其特征在于所说的进气管上，有气流流量调节阀。其次，所说的进砂接口与出砂接口的轴线处于同一直线方向。
3、磨料喷射器的改进本发明磨料喷射器包括高压水输入喷头、混料腔、磨料输入口、磨料水输出喷头，高压水输入喷头以及磨料水输出喷头分别接混料腔的进口及出口，磨料输入口位于混料腔侧壁，磨料输入口垂直位置高于高压水输入喷头的喷口。其特征在于所说的喷射器的混料腔有输入空气流的输入口，其位于所说混料腔的侧壁部，并位于磨料输入口的上方，所说混料腔侧壁内腔设计成准抛物面形状。输入空气流的进气管上，有气流流量调节阀。
由于在混料腔侧壁的磨料输入口上方设计有气流输入口，混料腔侧壁内腔设计成准抛物面形状，高压水输入喷头的喷口的垂直位置低于磨料输入口，如此从磨料输入口射入的磨料一方面受到高压水喷射形成的负压产生向下的虹吸力，另一方面受到从气流输入口输入的气流在混料腔内形成的向下方向的螺旋气流的作用，使射入的磨料在混料腔内形成向下方向的磨料螺旋流，当磨料到达喷射器下端时，在文杜里效应的作用下，被喷入的高压水的负压吸入水射流，以至在喷射器中能够均匀地将水射流的能量传递到磨料粒子，磨料粒子能被均匀、稳定加速到极高的速度(数倍于音速)，实现对物体的切割。在磨料控制阀的进气管上设计有气流流量调节阀，将磨料控制阀的进砂接口与出砂接口的轴线设计于同一直线方向，如此既减少砂流阻力，又有助于进入磨料喷射器的磨料流量调节到均匀稳定的最佳值。将蓄能器的进水口及出水口设计在筒形本体上，能消除蓄能器中的残余气隙，使输出的高压水压力稳定；两端密封端盖内侧面设计为球面，并设计密封圈，有助于保持良好的密封，保持输出水压力均匀稳定。
上述各技术改进特征，以喷射器的混料腔设计有输入空气流的输入口为最主要的特征。在此特征能满足的情况下，即使选用其他结构的蓄能器或磨料控制阀，也能使输出高压射流的均匀性及稳定性有明显的改善。当然，如加上本发明的蓄能器及磨料控制阀，则有更好的技术效果。
图1为美国流体工业公司11－X型超高压水射流切割机结构图；图2为11－X射流切割机中蓄能器结构图；图3为11－X射流切割机中磨料喷射器结构图4为11－X射流切割机中磨料控制阀结构图；图5为本发明超高压水射流切割机结构图；图6为本发明中蓄能器结构图；图7为本发明中磨料控制阀结构图；图8为本发明中磨料喷射器结构图；以下给出本发明的实施例参见图6，蓄能器的筒形本体(27c)上有超高压水的进口(27b)以及出口(27d)，进口(27b)及出口(27d)可以设计在侧壁的上方，也可以分别设计在上、下两个方向。球头与蓄能器本体内腔面之间的密封圈用○型密封环，采用防喷环垫，确保内腔密封。蓄能器腔体选用极限抗拉强度σb≥100公斤／平方毫米，延伸率δ≥15％的合金钢如38Cr MOA1，33CrNi3Mo，35CrMnMo等，优先选用35CrMnMo。螺旋封头的材料，使用40Cr材料即可。
磨料喷射器见图8示，(29a)为高压水接口，(29b)为高压水喷射器，其下端有内置喷嘴(29l)，(29c)为压紧螺帽，(29d)为气流入口及其调节阀，(29e)为磨料输入管，(29f)为混料腔，(29g)为磨料喷管座，(29h)为定位螺帽座，(29i)为磨料喷嘴，(29j)为锥形弹簧夹，(29k)为嵌件，(29m)为定位螺帽，(29n)为定位压板，各部件相对位置如图示，高压水喷射器(29b)有内置喷嘴(29l)，其喷口垂直位置位于磨料输入口(29e)下方，磨料输入口(29e)位于混料腔(29f)的侧壁，空气流输入口(29d)也位于混料腔(29f)的侧壁，并位于磨料输入口(29e)的上方。其他各部件相对位置如图示。
喷射器混料腔体可采用40Cr材料，磨料喷管座的材料其强度与表面硬度应大于混料腔的材料，硬度应达到Hrc＝60－62。磨料喷嘴可用硬质合金Bk3等，硬度应在Hrc＝81－83。
磨料控制阀结构见图7，其中(31a)为手动转轮，(31b)为螺旋丝杆，(31c)为下输砂接管，(31d)为调节螺母，(31e)为拉杆，(31f)为上端支座，(31g)为上输砂接管，(31h)为塑料上输砂管，(31i)为进砂口，(31j)为锥端十字伸缩头，(31k)为○形密封圈，(31l)为锥端气流调节旋塞，(31m)为限位园柱销，(31n)为下端支座，(31o)为定位螺钉，(31p)为塑料下输砂管，各部件相对位置如图7示出。上端支座(31f)带有圆锥内腔的出砂口，其与调节螺母(31d)兼作为阀体，其中调节螺母(31d)有圆锥内腔的出砂口，手动转轮(31a)依次与螺旋丝杆(31b)、调节螺母(31d)、锥端十字伸缩头(31j)相接。当转动转轮(31a)，丝杆(31b)、螺母(31d)依次转动，使十字伸缩头(31j)上下移动，其锥端与上端支座(31f)的圆锥内腔之间的环形隙缝大小随之改变，使进砂流量随之改变。转动锥端气流调节阀(31l)，改变通入阀体的气流量，使阀体中的压力状态改变，从而也使砂流量随之改变。其中锥端十字伸缩头材料可采用合金钢40Cr，淬火硬度Hrc＝45－48。
参见图5，图中的超高压泵(22)采用超高压往复泵，一次加压到位，取代液压传动的两次增压泵，例如3WCB－4(9134A)型泵，由电机带动飞轮直接驱动加压泵，最高加压(介质为水)可达4000公斤／平方厘米，流量为2升／分。
以下是本发明切割不同材料的试验数据
权利要求1.超高压水射流万能切割机，包括超高压泵、蓄能器、磨料箱、磨料控制阀、磨料喷射器、输送管道以及阀门；其中磨料喷射器包括高压水输入喷头、混料腔、磨料输入口、磨料水输出喷头，高压水输入喷头以及磨料水输出喷头分别接混料腔进口及出口，磨料输入口位于混料腔侧壁，磨料输入口垂直位置高于高压水输入喷头喷口；其中蓄能器包括筒形本体、位于筒形本体两端的密封端盖、超高压水的进口以及出口；其中磨料控制阀包括具有圆锥形内腔的进砂接口、阀体、出砂接口、锥塞调节装置以及进气管，前三部件依次相接，进气管位于阀体侧壁；超高压泵分别与马达以及进水管相接，其出水端通过超高压水输送管路经由阀门与蓄能器相接，蓄能器出水端经过高压水输送管道与磨料喷射器的高压水输入喷头相接，磨料箱通过输砂管道经由磨料控制阀，接磨料喷射器的磨料输入口；本发明的特征在于所说的喷射器的混料腔有输入空气流的输入口。
2.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说的喷射器的混料腔的侧壁内腔是准抛物面形状。
3.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说的输入空气流的输入口位于混料腔的侧壁部。
4.依照权利要求3所说的切割机，其特征在于所说的输入空气流的输入口位于磨料输入口的上方。
5.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说磨料控制阀的进气管上，有气流流量调节阀。
6.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说磨料控制阀的进砂接口与出砂接口的轴线处于同一直线方向。
7.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说蓄能器的超高压水进口以及出口位于蓄能器的筒形本体上。
8.依照权利要求1所说的切割机，其特征在于所说蓄能器的密封端盖的内侧为球面，球头与蓄能器本体内腔之间有密封圈。
专利摘要超高压水射流万能切割机，包括超高压泵、蓄能器、磨料喷射器、磨料控制阀、输送管道以及阀门，特征是磨料喷射器的混料腔侧壁有磨料输入口及空气流输入口，磨料输入口的位置高于高压水喷口，空气流输入口位置高于磨料输入口；畜能器的高压水进口以及出口位于蓄能器的侧壁，磨料控制阀的进气管上有气流流量调节阀，磨料控制阀的进砂接口与出砂接口的轴线处于同一直线方向。
文档编号B23P17/00GK2205277SQ93237588
公开日1995年8月16日 申请日期1993年9月3日 优先权日1993年9月3日
发明者汤燮铭, 吴锦昌 申请人:汤燮铭, 吴锦昌