一种高压磨料水射流切割装置及切割方法

1.本发明涉及射流切割技术领域，具体涉及高压磨料水射流切割技术。


背景技术：

2.高压磨料水射流技术是一种具有高能量密度的环境友好型技术。该技术是通过在高速水流中添加石英砂、石榴石、棕刚玉等固体颗粒，进而利用固体颗粒流的冲击动能实现各种材料的切割和加工，目前已被广泛应用于金属制造、硬脆材料切割、矿山开采、油气开发等领域。
3.该技术操作简单、便于控制，相较于传统机械切割和纯水切割的方式，具有射流压力小、切割深度大、工作效率高、能量耗散低的特点。但受粒子流特性和待加工材料性质影响，高压磨料水射流技术不能有效的满足工程应用中的精度要求。
4.目前，常用高压磨料水射流系统是在固定射流参数的条件下切割加工材料。当加工形状不规则或材质不均匀材料时，易出现切割深度不均匀，切割缝槽粗糙等问题。高压磨料水射流切割深度难以精准控制，会严重影响作业精度及工作效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种高压磨料水射流装置，以解决现有技术中切割深度难以控制的问题；目的之二在于提供一种高压磨料水射流切割方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高压磨料水射流切割装置，包括水箱、磨料罐和喷嘴，所述水箱与喷嘴之间设有高压水管，所述高压水管的一端与水箱连通，另一端与喷嘴连通，所述高压水管上设有变频水泵，用于调整液体在所述高压水管流动的压力，所述磨料罐的出口端与高压水管相连通，所述磨料罐的出口端与高压水管之间设有磨料电磁阀，所述磨料电磁阀通过控制其开度的方式控制所述磨料罐内的物料进入所述喷嘴的质量，所述喷嘴安装在机械臂的底部，所述机械臂通过滚珠丝杆副与无级变速器连接，使得所述无级变速器能够驱动所述机械臂在水平方向移动，所述喷嘴的下方设有待切割工件，所述喷嘴侧面设有激光测距仪，用于实时获取靶距，还包括控制柜，所述激光测距仪、变频水泵、磨料电磁阀和无级变速器均与所述控制柜电连接，所述控制柜内置不同冲蚀时间的标定靶距，使得当前时刻所述激光测距仪获取的靶距小于当前时刻的标定靶距时，执行所述无级变速器转速减小、所述磨料电磁阀开度增加或者所述变频水泵频率增加至少之一，当前时刻所述激光测距仪获取的靶距大于当前时刻的标定靶距时，所述无级变速器转速增加。
7.根据上述技术手段，由于设置了激光测距仪、变频水泵、无级变速器和磨料电磁阀，当激光测距仪获取的靶距小于当前时刻的标定靶距时，令无级变速器的转速降低、变频水泵的泵压增加、磨料电磁阀的开度增加，无级变速器的转速降低是用于增加停留在该切割位置的时间，变频水泵的泵压增加以及磨料电磁阀的开度增加是用于增加射流冲击力，进而能够增大切割深度；当激光测距仪获取的靶距大于当前时刻的标定靶距时，则令无级
变速器的转速增加，将喷头迅速的移动到其他的切割位置。通过上述方式，有效的控制了切割深度。
8.进一步，还包括第一支管和第二支管，所述第一支管的进口和出口分别与高压水管和磨料罐的入口连通，所述第二支管的进口和出口分别与高压水管与喷嘴相连通，所述磨料罐的出口与第二支管相连通。
9.根据上述技术手段，使得磨料能够在压差下顺利的流入第二支管中。
10.进一步，所述第一支管上设有第一减压阀，所述第二支路上设有第二减压阀，所述第二减压阀设置在所述第二支路的入口端与所述第二支路与磨料罐的出口连通的位置之间。
11.根据上述技术手段，能够使得磨料罐获得稳定的压差。
12.进一步，所述磨料罐的出口压力小于所述磨料罐的入口压力。
13.进一步，所述变频水泵的出口设有流量计和压力传感器。
14.进一步，所述机械臂带有连通孔，所述连通孔的一端与第二支管连接并连通，另一端与所述喷嘴的入口连通，所述第二支管为软管。
15.进一步，所述待切割件放置在工作台上，所述无极变速器和工作台均固定在底座上，或者通过其他构件固定在所述底座上。
16.一种基于如权利要求上述高压磨料水射流切割装置的高压水磨料水射流切割方法，向磨料罐中加入磨料，启动变频水泵开始加压；根据待切割工件的形状，调整喷嘴与待切割工件的距离；标定不同泵压、磨料质量流量下无极变速器的运动速度，并输入控制柜中；在控制柜中输入所需的切割深度，启动高压磨料水射流切割装置，开始切割。
17.进一步，所述标定不同泵压、磨料质量流量下无极变速器的运动速度的方法具体为：开展定点冲蚀，即开启激光测距仪，冲蚀待切割工件的某一个位置，获得达到预期冲蚀深度的冲蚀时间，并确定变频水泵泵压、磨料质量流量、无级变速器转速与冲蚀时间的数值关系。
18.本发明的有益效果：本发明所述的装置实现了高压磨料水射流系统工作过程中射流参数的自动匹配，解决了固定射流参数加工过程中出现的切割深度难以控制问题；通过设置光纤电缆传输数据控制柜与激光测距仪、变频水泵、磨料电磁阀、无极变速器之间的信息，既避免了因多个机械传动部件导致的工作操作步骤复杂，又实现了射流参数和切割深度的实时反馈调节；切割前，通过定点冲蚀标定，能够为不同待加工材料的精准切割，匹配最适合的射流参数；本发明所述的方法保证了磨料射流加工的精准性，成功解决了因射流切割深度难以控制，导致的工艺失败、射流效率低等问题。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；图2为射流参数信息反馈调节的示意图。
20.其中，1-变频水泵；2-流量计；3-压力传感器；4-第一减压阀；5-磨料罐；6-磨料电磁阀；7-控制柜；8-光纤；9-无级变速器；10-丝杆；11-滑道；12-滑块；13-机械臂；14-激光测距仪；15-喷嘴；16-待切割工件；17-工作台；18-水箱；19-高压管路；20-底座；21-第一支管；22-第二支管；23-第二减压阀。
具体实施方式
21.以下将参照附图和优选实施例来说明本发明技术方案的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
22.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
23.本实施例提出了一种高压磨料水射流装置，如图1所示，包括水箱18和磨料罐5，磨料罐5内填充有用于射流的磨料，水箱18与磨料罐5之间设有高压管路19，高压管路19的一端与水箱18连通，另一端与第一支管21和第二支管22的入口均连通，第一支管21的出口与磨料罐5的入口连接并连通，第二支管22的出口端与喷嘴15连通，磨料罐5的出口与第二支管22连通，进入第二支管22的水与磨料在第二支管22与磨料罐5出口的连通处汇合，形成磨料水，然后磨料水流动到喷嘴15处，形成射流，本实施例中待切割工件16位于喷嘴15的下方。
24.本实施例中，高压管路19上设有变频水泵1，用于调整水在高压管路19中流动的压力，部分水通过第一支管21从磨料罐5的入口进入，因此在磨料罐5的进口和出口存在一定的压差，磨料罐5的出口的压力，在压差的作用下，磨料能够顺利的从磨料罐5中流出。
25.在第一支路21上安装有第一减压阀4，在第二支路21的入口端和与磨料罐5的出口相连通的位置之间设有第二减压阀23，第一减压阀4和第二减压阀23通过设置合适的水压的方式，使得磨料罐5的进口和出口能够获得稳定的压差，磨料易从磨料罐内流出，并在经过磨料电磁阀6调控后，能获得长时间稳定的磨料质量流量。
26.磨料电磁阀6位于磨料罐5与第二支路22之间，当磨料电磁阀6开启时，磨料能够通过磨料电磁阀6进入第二支路22内，当磨料电磁阀6关闭时，磨料无法通过磨料电磁阀6进入第二支路22内。
27.磨料电磁阀6内部设有隔断门，阻尼器和电磁继电器。当磁场力大于阻尼器阻力，隔断门打开，磨料从磨料罐流出；当磁场力小于阻尼器阻力，隔断门闭合，磨料电磁阀6关闭，当电流增大时，磁场力增大，隔断门的开度增大，磨料的流量增加，当电流减小时，磁场力减小，隔断门的开度减小，磨料的流量减小。因此，可以通过控制输入磨料电磁阀6的电流大小的方式控制磨料的流量。
28.喷嘴15安装在机械臂13的底部，机械臂13内部设有流道，流道的一端与喷嘴15连接并连通，另一端与第二支管22的出口端连接并连通，第二支管22的出口端能够随着机械
臂13移动，因此本实施例中的第二支管22为软管。
29.在机械臂13的底部还设有激光测距仪14，激光测距仪14位于喷嘴15的侧面，用于实时监测喷嘴15的切割深度。
30.机械臂13的顶端与滚珠丝杆副连接，本实施例中的滚珠丝杆副包括滑块12，滑块12与机械臂13的顶端连接，滑块12套装在丝杆10上，且滑块12的内螺纹与丝杆10的外螺纹相适配，并且在丝杆10的端部设置无级变速器9，当无级变速器9启动时能够驱动丝杆10转动，进而驱动滑块12以及机械臂13在水平方向运动，进而可以调整射流的位置。
31.本实施例中，将待切割工件16放置在工作台17上，同时将工作台17和无级变速器9均固定在底座20上，进而能够保持待切割工件16和无级变速器9的稳定。
32.本实施例中，在高压管路19上依次设置流量计2和压力传感器3，能有效的监测射流系统中的流量和压力，避免因压力过高或流量过大造成射流装置的损坏。
33.本实施例中还包括控制柜7，控制柜7通过光纤8与变频水泵1、磨料电磁阀6、激光测距仪14以及无级变速器9均电连接，即控制柜7能够实时接收变频水泵1、磨料电磁阀6、激光测距仪14以及无级变速器9传递的信号，并根据内置的逻辑，控制变频水泵1、磨料电磁阀6、激光测距仪14以及无级变速器9的输出值。
34.如图2所示，本实施例中通过控制柜7接收激光测距仪14测得的靶距值，并经过与预期切割深度比较，反馈调节变频水泵1、磨料罐5、磨料电磁阀6、无极变速器9，实现对射流压力、切割速度、磨料质量流量的自动匹配，解决固定射流参数加工过程中出现的切割深度难以控制问题，保证射流切割深度的精确度。
35.本实施例中还提出了基于上述高压磨料水射流装置的高压磨料水射流切割方法，切割方法具体为：（1）向磨料罐5内加入磨料，磨料量不超过磨料罐5储料层容积的三分之二，关闭磨料电磁阀6，启动变频水泵1为系统加压，泵压不超过30mpa；（2）在工作台17上固定待切割工件16，并根据待切割工件16的形状，调整喷嘴15高度，保证射流靶距大于材料凸起处，防止切割作业中喷嘴15的意外损坏；（3）定点冲蚀，具体的：开启激光测距仪，选择待切割工件16的某一个位置，根据待切割工件16的要求切割深度，确定变频水泵1的泵压、磨料质量流量与冲蚀时间的数值关系；（4）移动机械臂，选择新的冲蚀位置，改变泵压、磨料质量流量，重复定点冲蚀工作，进而获取最优的变频水泵1的泵压、磨料质量流量与冲蚀时间的数值关系；（5）基于要求切割深度，标定激光测距仪参数，并根据定点冲蚀下达到预期冲蚀深度的冲蚀时间，标定不同泵压、磨料质量流量下无极变速器的运动速度，并将标定的不同冲蚀时间与切割深度、泵压、磨料质量以及无级变速器的运行速度之间的关系的标定靶距输入控制柜7中；（6）参数标定结束，输入切割深度，控制柜7自动为射流系统匹配切割参数，自动匹配切割参数的逻辑是：当激光测距仪14传输给控制柜7的当前时刻的切割深度大于标定的当前时刻的切割深度，无极变速器9的转速加快，喷嘴15移动速度增加，进而改变射流切割的位置；当激光测距仪14传输给控制柜7的当前时刻的切割深度小于标定的当前时刻的切割深度，无极变
速器9的转速降低，喷嘴15移动速度减小，停留在当前切割位置的时间变长，磨料电磁阀6的开度增加，变频水泵1的频率增加，能够提高射流冲击力，进而通过提高停留切割位置时间以及增加射流冲击力的方式，增加切割深度。
36.以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。