专利名称：一种自对中的磨料水刀喷嘴及其混合腔体的制作方法
技术领域：
本发明属于机械加工、金属切割领域，具体地说是涉及一种自对中的磨料水刀喷嘴及其混合腔体。
背景技术：
高压水射流技术的起源可以追溯到20世纪60年代以低压大流量水射流采矿为主的初级阶段，当时技术发展主要集中在以静压试验和化工流程为主的高压泵、增压器和高压管件的研发生产上。到了 70年代，Franz博士发明水刀切割技术；即将水加压至300_600MPa 并使其从直径为0. 1-0. 5毫米的喷嘴中喷射出来，形成超过音速1-3倍的高速水射流，选用梁桂芳主编的切割技术手册中的图5-1，此高速水射流用于切割就称为水刀。到了 20世纪80年代，美国Hashish博士将磨料掺入高速射流，选用梁桂芳主编的切割技术手册中的图5-1，使其形成一种新的机加工技术——磨料水刀。磨料水刀是当前世界上唯一一种冷态高能束加工技术，此项技术在切割钛合金、复合材料等用传统方法难以加工的材料上面有巨大优势。与传统加工方法相比，磨料水刀的优势体现在可以切割任何材料、无热损伤、切缝小、加工柔性强、无污染、切削力小、装夹简单、可轻易加工细长件和复杂精细工件、无切屑困扰、无冷却液污染、不用换刀。与激光加工相比，磨料水刀设备价格更为便宜、可切材料种类更多、切割厚度更大、且工件无烧伤、切削过程无毒气排放。与电火花切割相比，磨料水刀切割速度快5-10倍，且可切导电、非导电材料。磨料水刀的显著优势确定了其无可比拟的发展潜力。世界著名的Frost & Sullivan公司在2005年发布的水刀市场报告中指出， 磨料水刀是世界机床工业中成长最快的机加工技术，今后几年内最快的成长将在亚洲。磨料水刀喷嘴设计的核心是如何使水喷嘴产生的高速水射流能有效地与磨料混合，并从下游的磨料喷嘴顺利排出，形成流型均勻紧凑的高速磨料水射流。水喷嘴和磨料喷嘴的对中性尤为关键，影响两者对中性的因素包括两者内孔轴线的同轴度以及角度误差， 由于磨料喷嘴长度与内径之比通常在75 :1-100:1之间，所容许的角度误差通常小于0. 3 度。如果对中性不好，射流会打到磨料喷嘴内壁一侧产生发散现象而影响切割效率，更为严重的是它会造成磨料喷嘴的不均衡磨损而导致寿命大打折扣。早期的喷嘴设计引入调节机构对水喷嘴和磨料喷嘴的对中性进行调节。如美国专利号4817874、49514四所披露的设计，通过调节螺钉，可让磨料喷嘴以水喷嘴为圆心调整角度直到两者完全对中。美国专利号4848671、5320289也披露了其他可调节对中性的喷嘴设计。但这些喷嘴使用起来非常麻烦，操作人员不仅需要技巧也需要运气才能顺利地完成对中性调节，极大地影响了工作效率。这些可调对中性的喷嘴设计因此逐渐被淘汰，被自对中的喷嘴设计所取代。美国专利号4648215、5018670、5155946、5643058、6715701B1、5794858、5851139、 6601783B2.6932285BU 以及申请号 2005/0017091AU2008/0032610A1 披露了各种自对中的喷嘴设计。
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这些自对中的喷嘴设计有以下的共同特征(1)水喷嘴和磨料喷嘴都是单独的零件；(2)水喷嘴和磨料喷嘴没有共同的定位基准面；(3)两者的对中取决于工艺尺寸链的构成和零件的加工精度。复杂的工艺尺寸链造成对零件过高的精度要求从而增加了产品的成本，有时甚至无法实现或出现产品质量不稳定的情况。至今喷嘴对中性依然是困扰水刀工业界的问题之一。喷嘴设计还要考虑在水喷嘴和磨料喷嘴之间的混合腔的磨损问题。大部分的喷嘴都采用某种硬质材料来制作一个单独的混合腔，这样可避免喷嘴装配体被磨损。但这种采用硬质材料制作的混合腔通常成本比较高，而且也会磨损，由于它位处喷嘴装配体的中央， 更换起来比较困难。美国专利号6932^5B1把混合腔与水喷嘴设计成一体，这样在更换水喷嘴时也更换了混合腔，但这种设计增加了水喷嘴的成本，而且在采用钻石制作水喷嘴时会大大提高水喷嘴的寿命而造成与混合腔寿命不匹配的情况。
发明内容
本发明的目的是解决两个问题(1)自对中的喷嘴设计中没有共同的定位基准面和对零件加工精度要求过高的问题；(2)混合腔成本高而且不便更换的问题。本发明采用的方案如下
一种自对中的磨料水刀喷嘴，包括水喷嘴和磨料喷嘴，进水管位于水喷嘴上游，磨料喷嘴位于水喷嘴下游，水喷嘴与磨料喷嘴之间设有混合腔体，其特征在于，水喷嘴和磨料喷嘴安装在同一个套筒内，水喷嘴和磨料喷嘴共用套筒内壁作为定位基准面；水喷嘴与套筒的上端锥面配合，水喷嘴的外锥面角度小于套筒的内锥面角度。优选的，所述套筒为内套筒，内套筒外套设外套筒，外套筒旋接锁紧螺母。优选的，所述外套筒的下端有一个内锥面，内套筒的下端有一个外锥面，外套筒的内锥面角度大于内套筒的外锥面角度。优选的，所述内套筒下端为锥形台，在锥形台的锥面分切出若干对称分布的压块。优选的，所述水喷嘴与进水管内壁锥面配合，且水喷嘴的外锥面角度小于进水管内壁的内锥面角度。优选的，所述水喷嘴包括喷嘴、喷嘴座，喷嘴嵌入喷嘴座内。优选的，所述喷嘴座为金属材质，喷嘴为宝石或金刚石材质。优选的，所述喷嘴与喷嘴座之间设有密封圈。本发明还提供一种用于上述任意一种自对中的磨料水刀喷嘴的混合腔体，其特征在于，混合腔体包括一个横向插入的软管，软管位于水喷嘴与磨料喷嘴之间。优选的，所述混合腔体还包括一个硬质插管，插管纵向开设通孔，插管内插入软管，插管位于外筒套和内筒套上开设的横向通孔内，插管与磨料喷嘴的上端面接触作为定位销，所述插管为一端密封，一端开放的插管。本发明与现有技术相比所具有的最大的优点是水喷嘴和磨料喷嘴共用一个套筒为定位基准面，使得保证定位精度的工艺尺寸链的构成大为简化。本发明在水喷嘴和内套筒的上端采用差角锥面配合的设计，保证了水喷嘴和内套筒之间的定位圆柱面配合。本发明与现有技术相比所具有的另一个优点是混合腔采用插入式的软管来实现，免除了制作硬质材质混合腔的成本，而且混合腔的更换变得非常方便。
图1为本发明的整体结构示意图； 图2为图1中A部放大图中1-外套筒下端密封圈，2-插管，3-磨料喷嘴，4-外套筒，5-内套筒，6-软管，7-喷嘴座，8-喷嘴与喷嘴座之间所设密封圈，9-喷嘴，10-进水管，11-锁紧螺母。
具体实施例方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。一种自对中的磨料水刀喷嘴，包括水喷嘴和磨料喷嘴3，进水管10位于水喷嘴上游，磨料喷嘴3位于水喷嘴下游，水喷嘴与磨料喷嘴3之间设有混合腔体，其特征在于，水喷嘴和磨料喷嘴3安装在同一个套筒内，水喷嘴和磨料喷嘴3共用套筒内壁作为定位基准面； 水喷嘴与套筒的上端锥面配合，水喷嘴的外锥面角度小于套筒的内锥面角度。所述套筒为内套筒5，内套筒5外套设外套筒4，外套筒4旋接锁紧螺母11。所述外套筒4的下端有一个内锥面，内套筒5的下端有一个外锥面，外套筒4的内锥面角度大于内套筒5的外锥面角度。所述内套筒5下端为锥形台，在锥形台的锥面分切出若干对称分布的压块。所述水喷嘴与进水管10内壁锥面配合，且水喷嘴的外锥面角度小于进水管10内壁的内锥面角度。所述水喷嘴包括喷嘴9、喷嘴座7，喷嘴9嵌入喷嘴座7内。所述喷嘴座7为金属材质，喷嘴9 为宝石材质。所述喷嘴9与喷嘴座7之间设有密封圈8。外套筒4下端与磨料喷嘴3之间设有密封圈1。本发明还提供一种用于上述任意一种自对中的磨料水刀喷嘴的混合腔体，其特征在于，混合腔体包括一个横向插入的软管6，软管6位于水喷嘴与磨料喷嘴3之间。所述混合腔体还包括一个硬质插管2，插管2纵向开设通孔，插管2内插入软管6，插管2位于外筒套4和内筒套5上开设的横向通孔内，插管2与磨料喷嘴3的上端面接触作为定位销，所述插管2为一端密封，一端开放。下面根据
本发明的工作原理
如图所示，高压水经由进水管10及由喷嘴9、密封圈8、喷嘴座7构成的水喷嘴而形成高速水射流。水射流穿越插管2、软管6，从磨料喷嘴3喷出而产生类似射流真空泵的效应，在水喷嘴和磨料喷嘴3之间形成真空，因而磨料经软管6被吸入，与水射流混合并进入磨料喷嘴3，在长形的磨料喷嘴3内与水射流进行能量交换，喷出后形成磨料与水等速的磨料水射流。在本发明中，水喷嘴与磨料喷嘴3共用内套筒5的内壁作为同一个定位基准面。喷嘴座7与内套筒5的上端采用锥面配合，喷嘴座7的外锥面角度要略小于内套筒5的内锥面角度，从而保证两者的接触尽量靠近轴心线，在接触载荷不对称时不至对喷嘴座7产生太大的弯矩。喷嘴座7与进水管10同样采用锥面配合，而且喷嘴座7的外锥面角度同样要略小于进水管10的内锥面角度，这里除了保证两者的接触尽量靠近轴心线以外，更多的考虑是两者之间形成的高压密封，密封必须尽量靠近内圈以减小压力作用面。
当锁紧螺母11与喷嘴上游的接头锁紧时，外套筒4带动内套筒5被向上拉紧，内套筒5下端切出的4个对称压块向内收紧从而锁紧磨料喷嘴3。密封圈1的存在除了防尘以外，更重要的是它可以在锁紧螺母11松开之后对磨料喷嘴3仍有少量的锁紧作用，使得脆性的磨料喷嘴3不至掉出而摔断。插管2 —方面对磨料喷嘴3起到轴向定位作用，另一方面对软管6也起到支撑的作用。软管6插进插管2内后，可开启高压水让高速水射流直接在软管6上下两面打出所需的通孔。当磨料从软管6吸入时，软管6在插管2内的一段起到混合腔的作用，它可保护插管2和宝石喷嘴座7不被磨损。采用弹性材质如聚氨基甲酸脂制作的软管6有很好的耐磨特性，特别在磨料的速度低于材料的临界磨损速度时效果更佳。而在混合腔内的磨料仍处于加速初级阶段，因而这类弹性材料可以有效地起到保护作用。而当软管6在喷嘴内的一段被磨损以后，可以很容易从喷嘴内抽出，切掉被磨损的一段以后，重新插入再用。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种自对中的磨料水刀喷嘴，包括水喷嘴和磨料喷嘴，进水管位于水喷嘴上游，磨料喷嘴位于水喷嘴下游，水喷嘴与磨料喷嘴之间设有混合腔体，其特征在于，水喷嘴和磨料喷嘴安装在同一个套筒内，水喷嘴和磨料喷嘴共用套筒内壁作为定位基准面；水喷嘴与套筒的上端锥面配合，水喷嘴的外锥面角度小于套筒的内锥面角度。
2.根据权利要求1所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述套筒为内套筒，内套筒外套设外套筒，外套筒旋接锁紧螺母。
3.根据权利要求2所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述外套筒的下端有一个内锥面，内套筒的下端有一个外锥面，外套筒的内锥面角度大于内套筒的外锥面角度。
4.根据权利要求2或3所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述内套筒下端为锥形台，在锥形台的锥面分切出若干对称分布的压块。
5 根据权利要求1所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述水喷嘴与进水管内壁锥面配合，且水喷嘴的外锥面角度小于进水管内壁的内锥面角度。
6.根据权利要求1或5所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述水喷嘴包括喷嘴、喷嘴座，喷嘴嵌入喷嘴座内。
7.根据权利要求6所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述喷嘴座为金属材质，喷嘴为宝石或金刚石材质。
8.根据权利要求7所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴，其特征在于，所述喷嘴与喷嘴座之间设有密封圈。
9.用于权利要求1至8所述的任意一种自对中的磨料水刀喷嘴的混合腔体，其特征在于，混合腔体包括一个横向插入的软管，软管位于水喷嘴与磨料喷嘴之间。
10.根据权利要求9所述的一种自对中的磨料水刀喷嘴的混合腔体，其特征在于，所述混合腔体还包括一个硬质插管，插管纵向开设通孔，插管内插入软管，插管位于外筒套和内筒套上开设的横向通孔内，插管与磨料喷嘴的上端面接触作为定位销，所述插管为一端密封，一端开放的插管。
全文摘要
一种自对中的磨料水刀喷嘴，包括水喷嘴和磨料喷嘴，进水管位于水喷嘴上游，磨料喷嘴位于水喷嘴下游，水喷嘴与磨料喷嘴之间设有混合腔体，其特征在于，水喷嘴和磨料喷嘴安装在同一个套筒内，水喷嘴和磨料喷嘴共用套筒内壁作为定位基准面；水喷嘴与套筒的上端锥面配合，水喷嘴的外锥面角度小于套筒的内锥面角度。本发明与现有技术相比所具有的最大的优点是水喷嘴和磨料喷嘴共用一个套筒为定位基准面，使得保证定位精度的工艺尺寸链的构成大为简化；在水喷嘴和内套筒的上端采用差角锥面配合的设计，保证了水喷嘴和内套筒之间的定位圆柱面配合；混合腔采用插入式的软管来实现，免除了制作硬质材质混合腔的成本，而且混合腔的更换变得非常方便。
文档编号B24C5/04GK102152245SQ201110025069
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者曾继跃 申请人:浙江宇宙智能设备有限公司