專利名稱：流體/磨料射流切割裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過包括夾帶的磨料顆粒的液體射流進行的切割(例如金屬的切 割)。
背景技術：
包括夾帶的磨料顆粒的高速水射流用于切割目的自從1980已知。已知的切割水 射流系統(tǒng)分為兩類磨料水射流(AWJ)系統(tǒng)和磨料漿射流(ASJ)系統(tǒng)。AffJ系統(tǒng)通常以極高壓力(150至600MPa量級)向噴嘴供應水。典型的WAJ噴嘴 10在圖1中示出。噴嘴10包括小孔12 (直徑為0.2mm至0.4mm)，該小孔通向混合腔室14。 水由此以高速流動通過混合腔14。小顆粒的磨蝕材料(通常是石榴石)通常通過重力饋入而穿過給料器16被供應 給腔室。高速水18產(chǎn)生文氏管效應，磨蝕材料被吸入水射流。水射流然后流動通過一定長度的管路，其已知為聚焦管道(fOCuSingtube)20。通 過聚焦管道的水和磨料通道用于使磨料顆粒沿水流方向加速。聚焦的水射流22然后通過 聚焦管道出口 24排出。水射流22——或者，更準確地，加速的磨?！缓罂捎糜谇懈畈?料，諸如金屬?？?2和聚焦管道20的出口 24之間的噴嘴10中的能量損失可以很高。水的動能 由于需要為磨蝕材料加速、為被文氏管夾帶的空氣加速而損失。由于磨粒在管道壁上“反 彈”，在聚焦管道20中發(fā)生明顯的摩擦損失。由于產(chǎn)生熱，這導致能量損失。另外，該現(xiàn)象 還導致聚焦管道的劣化，這通常需要在40小時的操作后替換該管道。因此，已知的AWJ系統(tǒng)通常非常低效。ASJ系統(tǒng)結合了兩個流體流，液體(通常是水)流和漿體流。漿體包含磨料顆粒的 懸濁液。兩個液體流被設置在大約50至IOOMpa的壓力下，且被結合以形成單個流。組合 流被迫通過孔，通常為1. 0至2. Omm量級的直徑，以產(chǎn)生具有夾帶的磨料顆粒的水射流。ASJ系統(tǒng)不像AWJ系統(tǒng)那樣低效，因為在組合兩種加壓流時沒有能量損耗。但是， 已知的ASJ系統(tǒng)具有有限的商業(yè)價值。這部分地因為ASJ系統(tǒng)以比AWJ系統(tǒng)低得多的壓力 和射流速度操作，限制它們切割一些金屬的能力。ASJ系統(tǒng)還顯示了操作中的明顯難度，主要是因為加壓磨料漿體的存在以及缺乏 對其流動特性提供控制的有效手段。系統(tǒng)涉及泵送、運輸和控制磨料漿體流動的部件經(jīng)歷 極高的磨損率。這些磨損率隨著壓力增加而增加，限制ASJ系統(tǒng)可安全操作的壓力。更重要的是，起動和停止加壓磨料流時存在固有的實際困難。當用于機加工，例 如，切割水射流必須能夠經(jīng)常按指令起動和停止。對于ASJ系統(tǒng)，這需要閥頂住加壓磨料流 關閉。對于以此方式使用的閥的磨損率極高。應理解，在閥關閉時，流動的橫截面積降低至 零。該減少的流動面積導致在閥關閉時的流速相應增加，以及增加閥處的局部磨損。在典型的工業(yè)CNC環(huán)境中，切割設備可用于非常頻繁地起動和停止。這意味著閥 頂住加壓磨料流頻繁打開和關閉，以及這些閥的快速磨損和劣化。因此，用于CNC機加工的ASJ系統(tǒng)的使用已知為本身不實際。ASJ系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場環(huán)境，諸如油氣安裝和海下切割，在這種情況下，切割需要大 體連續(xù)。ASJ系統(tǒng)已經(jīng)不在工業(yè)CNC機加工中商業(yè)使用。圖2a和2b顯示了已知ASJ系統(tǒng)的示意圖。在基本單流系統(tǒng)30中，如圖2a所示， 高壓水泵32推進浮動活塞34?；钊?4對磨料漿體36加壓并將其泵入切割噴嘴38。簡單的雙流系統(tǒng)40如圖2b所示。來自泵32的水被分為兩個流，其中一個用于通 過浮動活塞34以與單流系統(tǒng)30類似的方式加壓和泵送漿體36。另一流，專用水流35在切 割噴嘴38之前的匯接點與加壓漿體流37混合。這兩個系統(tǒng)都具有上述問題，并導致非常高的閥磨損率。其它問題包括因為管道 和噴嘴中的極度磨損而導致的不恒定切割速度。授予Krasnoff的4，707，952號美國專利中提出一種替換結構。Krasnoff系統(tǒng)50 的示意結構在圖3a中示出。Krasnoff系統(tǒng)與雙流系統(tǒng)40類似，區(qū)別在于水流35和漿體流 37的混合在切割噴嘴38內的混合腔室52中進行。
Krasnoff的混合腔室52的更詳細視圖在圖3b中示出。噴嘴38提供了雙級加速。 首先，水流35和漿體流37通過通向混合腔室52的獨立噴嘴加速。然后，混合的水和磨料 流通過最終出口 54加速。Krasnoff系統(tǒng)被設置為以大約16MPa的壓力操作，明顯低于其它ASJ系統(tǒng)。同樣， 漿體流37的沖擊(仍然對閥造成損壞)導致與更高壓力系統(tǒng)相比減小的閥磨損率。推論 當然是Krasnoff系統(tǒng)的動力輸出明顯低于其它ASJ系統(tǒng)，由此，其商業(yè)應用較少。申請人 不知道Krasnoff系統(tǒng)已在商業(yè)上被應用。本發(fā)明尋求提供一種系統(tǒng)，用于提供具有夾帶的磨料顆粒的高壓水射流，其至少 部分地克服上述AWJ和ASJ系統(tǒng)的一些上述缺陷。

發(fā)明內容
實際上，本發(fā)明提供一種方法，其結合AWJ和ASJ系統(tǒng)的許多優(yōu)點并減少每個系統(tǒng) 的一些缺點。根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種高壓切割裝置(arrangement)，包括液體流 (liquid stream)和漿體流(slurry stream)，漿體包括懸浮在液體中的磨料顆粒，能量通 過第一賦能機構供應到液體流，并通過第二賦能機構供應至漿體流，第一和第二賦能機構 的每個都可選擇地操作，其中，液體流和漿體流在切割工具中結合，被供應的能量的至少一 部分被在切割工具中轉換為動能，以產(chǎn)生高速的液體和磨料混合流。單獨的賦能機構的使 用允許對系統(tǒng)中的流進行控制。優(yōu)選地，由第一賦能機構供應的能量通過泵提供，更優(yōu)選地，通過恒壓泵提供，該 泵對液體流加壓。類似地，由第二賦能機構供應的能量優(yōu)選通過泵提供，更優(yōu)選地，通過恒 流泵提供。該裝置允許混合流的速度和體積速率通過恒壓泵的壓力的控制而被調整，而磨 蝕材料的流速可通過控制恒流泵的流速獨立地設定。系統(tǒng)功率的調整，或流體磨料比，可 由此容易地實現(xiàn)。在替換實施例中，可用單個泵為第一和第二賦能機構二者提供能量。在優(yōu)選實施例中，恒流泵為浮動活塞賦能，其由此對漿體流加壓。在該實施例中， 閥可設置在泵和浮動活塞之間，從而液體和由此能量從恒流泵到浮動活塞的流動可被即時防止。方便地，該閥還可用于防止液體從浮動活塞回流。以此方式，漿體流中的壓力和流動 可被允許變化，同時保持液體流中的恒定壓力。該閥可簡單地用于將恒定液體流從浮動活 塞轉移走，例如通過將液體返回到泵的儲液器。在其優(yōu)選形式中，切割工具允許這些流以一方式混合，該方式是漿體流的壓力主 要通過液體流的壓力控制。切割工具包括混合腔室，液體流在被賦能時以恒定的壓力被提 供到該混合腔室中；漿體流在被賦能時以恒定的速率被提供。在混合腔室的進入?yún)^(qū)域處 的壓力由此通過液體流的壓力設定。漿體流到混合腔室中的進入點暴露于該壓力，從而漿 體流被防止進入混合腔室，除非漿體流中的壓力略微高于混合腔室進入點處的壓力。定容 泵的動作在漿體流中形成壓力，直到其到達該點。然后獲得第一平衡狀態(tài)，其中，漿體被以 恒定流速和期望壓力提供到混合腔室中。在這些條件下，定容泵有效地用作定量輸送泵 (constant displacement delivery pump)0當?shù)诙x能機構停止向漿體流供應能量時，例如通過在優(yōu)選實施例中的泵和活塞 之間的閥的關閉，混合腔室中的液體流的壓力繼續(xù)作用在漿體流上。來自漿體流的漿體繼 續(xù)進入到混合腔室中，直到漿體流中的壓力略微降至混合腔室中的壓力之下。此時，漿體流 動停止，但漿體流中的壓力被保持。這使得漿體流中的閥頂住靜態(tài)、但加壓的磨料流而被關 閉。與頂住流動磨料流關閉的閥相比，此閥受到明顯減小的磨損率。該閥的關閉確保到切割 頭的唯一一種流體就是水。閥在水流中的隨后的關閉可防止液體通過切割頭的所有流動。優(yōu)選地，液體流且由此漿體流以大約300MPa的壓力操作。應該理解，來自第二賦能機構的能量供應停止導致漿體幾乎即時的停止，這是因 為漿體在流動狀態(tài)和靜止狀態(tài)之間的壓力差很小。類似地，當?shù)诙x能機構被激活，漿體到 混合腔室中的期望流動幾乎即時地實現(xiàn)。優(yōu)選地，切割工具包括混合腔室，該混合腔室具有設置為接收液體流和漿體流的 進入?yún)^(qū)域，其中，進入?yún)^(qū)域中的壓力由液體流中的壓力確定，且進入?yún)^(qū)域中的壓力作用在漿 體流中的壓力上以調整漿體流中的壓力。優(yōu)選地，漿體流和液體流被設置為進入噴嘴，該噴嘴是細長的，且漿體流和液體流 沿細長方向取向。這減小了在改變流向時產(chǎn)生的能量損失，特別是漿體改變流向時。在優(yōu)選裝置中，該噴嘴具有中心軸線，漿體流沿中心軸線取向，且液體流繞漿體流 被設置在環(huán)形結構中。這樣的裝置提供了一種將漿體流暴露至液體流壓力的高效結構，且 還減小了噴嘴側部被磨損的傾向。優(yōu)選地，噴嘴是加速噴嘴，其出口的直徑比進入?yún)^(qū)域的小。這允許這些流內的壓力 被轉換為高速輸出流。通過將出口直徑設置為比進入噴嘴的漿體流的直徑小可進一步增強效果。優(yōu)選地，噴嘴在其外端部處具有恒定直徑聚焦部分，且在進入?yún)^(qū)域和聚焦區(qū)域之 間具有直徑減小的錐形加速部分。這允許輸出流具有期望的速度和方向。加速部分的錐角可不超過27°。優(yōu)選地，錐角可以是大約13. 5°。這提供了高效 加速和保持非紊流流動之間的良好平衡。優(yōu)選地，噴嘴的聚焦部分應該具有大于5 1的長度直徑比，優(yōu)選為大約 10 1。還優(yōu)選的是，長度直徑比小于30 1。噴嘴可以是復合噴嘴，加速部分由比聚焦部分更硬的材料形成。
聚焦部分可具有等于或略微小于加速區(qū)域的最小直徑的直徑，以防止引入紊流。出口可包括排出口倒角，其具有的錐角大約為45°。這樣的角度足夠以確保在出 口處的流動分離。


參考附圖描述本發(fā)明，這些附圖示出了本發(fā)明高壓切割裝置的優(yōu)選實施例。其它 實施例也是可行的，因此附圖的細節(jié)并不應該理解為取代本發(fā)明前述描述的整體內容。在 這些附圖中圖1是現(xiàn)有技術的AWJ系統(tǒng)的切割工具的橫截面示意圖；圖2a是現(xiàn)有技術單流體ASJ系統(tǒng)的示意圖；圖2b是現(xiàn)有技術雙流體ASJ系統(tǒng)的示意圖；
圖3a是現(xiàn)有技術雙流體ASJ系統(tǒng)的示意圖，其中，流體被注射到切割噴嘴中；圖3b是圖3a的現(xiàn)有技術切割噴嘴的橫截面視圖；圖4是本發(fā)明的高壓切割裝置的示意圖；圖5是來自圖4的切割裝置中的切割工具；圖6是圖5的切割工具的一部分的橫截面視圖，包括噴嘴；圖7是圖5的切割工具內的聚焦噴嘴的橫截面視圖；圖8是用于在圖5的切割工具內使用的聚焦噴嘴的替換例的橫截面視圖；和圖9是用于在圖4的切割裝置內使用的切割工具的替換例。
具體實施例方式圖4示出了高壓切割系統(tǒng)100的示意結構。切割系統(tǒng)100具有切割工具110，兩 個輸入線路附連至該切割工具流體流或水流(fluid or water flowstream) 112和漿體流 (slurry stream) 114。水流112和漿體流114的每個都在壓力下供應至切割工具110。壓力通過第一賦能機構施加至水流112，該第一賦能機構是恒壓泵116。在該實施 例中，恒壓泵116是增強器類型的泵。恒壓泵116確保水流112中的壓力保持在恒定期望 的壓力。期望的壓力可通過控制恒壓泵116而被改變。通常可用的壓力范圍從150MPa至 600MPa。在通常的操作中，大約300MPa的水壓可提供有用的結果。壓力通過第二賦能機構施加到漿體流114。第二賦能機構包括浮動活塞118，其由 恒流水泵120提供能量。在本實施例中，恒流水泵120是多聯(lián)泵。浮動活塞118沿漿體流 114推動水中的高密度、低流速的磨料的懸濁液。漿體流114的流速被水122的流速控制， 該水由恒流水泵120泵送。漿體的期望流速通過控制恒流水泵120改變。漿體的典型流速 大約是每分鐘一升。第二賦能機構包括閥124，該閥沿水流122定位在恒流泵120和浮動活塞118之 間。閥124的關閉使水流122改向遠離浮動活塞118，返回到恒流泵120。閥124的關閉由 此立刻停止將壓力供應到漿體流114。閥124還防止水從浮動活塞118回流到恒流泵120， 并由此液壓地鎖定浮動活塞118，由此還防止?jié){體從漿體流114回流。切割工具110包括大體柱形的主體部分126，該主體部分具有從其外端延伸的大 體柱形噴嘴128。主體部分126的內端連接至兩個噴射器軸向漿體噴射器130和環(huán)形水噴射器132。噴射器被設置為使得水流和漿體流二者沿軸向方向進入主體部分126，水流環(huán) 向地定位在漿體流周圍。水噴射器132包括流動校直器，以便在進入主體部分126之前從 水流中充分去除紊流。在附圖的實施例中，水流沿徑向方向進入水噴射器132，然后被軸向 改向。作為多個小管道的流動校直器輔助去除通過此改向產(chǎn)生的紊流。切割工具110包括定位在漿體噴射器130上游的漿體閥131，和定位在水噴射器 132上游的水閥133。漿體閥131和水閥133每個都可獨立操作，且可打開或關閉以允許或 防止流動。漿體閥131和漿體噴射器130之間的軸向連接部135具有可變長度。噴嘴128在圖6中最佳示出。噴嘴包括混合腔室134和聚焦區(qū)域136?；旌锨皇?包括進入?yún)^(qū)域138?；旌锨皇?34還可以是錐形加速腔室，錐角大約是13. 5°。聚焦區(qū)域136是噴嘴的緊靠近噴嘴出口 140的恒定直徑部分。聚焦區(qū)域具有的長 度直徑比至少為5 1，優(yōu)選大于10 1。進入?yún)^(qū)域138設置為通過直徑大體恒定的軸向入口管道142接收漿 體流。進入?yún)^(qū) 域還設置為通過繞入口管道142軸向對齊的環(huán)狀物144接收水。該環(huán)狀物144具有的外直 徑大約是內管道142直徑的三至四倍。環(huán)狀物144以連續(xù)的方式連接混合腔室134的內壁， 由此減小將紊流弓I入水流的任何傾向。進入管道142以及由此進入?yún)^(qū)域138的位置是可變的。該位置可通過調整軸向連 接部135而改變。進入?yún)^(qū)域138的軸向定位允許流動通過環(huán)狀物144的水在其進入該進入 區(qū)域138之前被加速到期望速度。這允許水流和漿體流的校準，且可允許操作者調整磨損 或功率損失。在附圖的實施例中，聚焦區(qū)域136形成在單獨的聚焦噴嘴146內，該聚焦噴嘴軸向 地連接到混合腔室134。如圖7所示，聚焦噴嘴146包括緊位于聚焦區(qū)域136之前的加速區(qū) 域148。加速區(qū)域148具有大于或等于混合腔室134錐角的錐角。加速區(qū)域148在入口處 的直徑大體等于混合腔室134出口處的直徑。期望的是，加速區(qū)域148的入口直徑不顯著 大于混合腔室134的出口直徑，以便減小將紊流引入水流的任何傾向。聚焦噴嘴146可由比混合腔室134的材料更硬更抗磨的材料形成。同樣，噴嘴128 的各部分可以被設置為使得流體/磨料流在混合腔室中被加速到第一速度，例如250m/s， 然后在加速區(qū)域148中加速到其最終速度。各速度可以根據(jù)在兩個部分中所使用的材料的 抗磨性來設計和選擇。在替換實施例中，如圖8所示，聚焦噴嘴146是復合噴嘴，加速區(qū)域148由特別硬 且抗磨的材料(諸如金剛石)形成，而聚焦區(qū)域135由另一適當?shù)牟牧?諸如陶瓷材料) 形成。在該實施例中，聚焦區(qū)域136的直徑被設計為等于或略微小于加速區(qū)域148的最小 (排出口)直徑。在兩個實施例中，噴嘴128具有足夠長度，以允許水/漿體混合物以期望的速度相 遇，通常高達600m/s。應該指出，在附圖的實施例中，這需要聚焦區(qū)域136的直徑小于漿體 入口管道142的直徑。噴嘴在出口 140處包括倒角的排出口 150。倒角的錐角足夠以確保排出口 150處 的流動分離。在附圖的實施例中，該角度是45°。在另一替換實施例中，如圖9所示，聚焦噴嘴146包含在外部保持器152內。在該實施例中倒角的排出口 150形成在內部保持器152內。在使用中，水通過恒壓泵116加壓到期望壓力。其在該壓力下泵送至切割工具 110，通過環(huán)形水噴射器126，然后進入環(huán)狀物144。從該環(huán)狀物，其進到進入?yún)^(qū)域138中，然 后在進入?yún)^(qū)域138中建立接近其被泵送的壓力的壓力。被浮動活塞118賦能的漿體沿切割工具110被泵送，通過漿體噴射器130，進入入 口管道142。應該理解，當入口管道142中的壓力超過進入?yún)^(qū)域138中的壓力時，漿體僅行進到 進入?yún)^(qū)域138。當漿體流動時，浮動活塞118(由恒流泵120供能)的動作用于增加漿體流 的壓力，直到其足夠高以進入混合腔室134的進入?yún)^(qū)域138。應該理解，這略微高于水流在 進入?yún)^(qū)域138中建立的壓力。當在漿體流中建立該壓力時，泵120的動作將導致漿體以恒 定速度和壓力供應到腔室134。水和漿體沿腔室134快速地行進和混合。環(huán)形水流極大地保護腔室134的壁不受 漿體的磨蝕作用，至少在噴嘴128的內部部分處。到流體已經(jīng)被加速到聚焦噴嘴146時，水和漿體將被很好地混合。聚焦噴嘴的至 少進入部分因此必須由抗磨材料制成，諸如金剛石。流體將通過出口 140以極高的速度通過聚集噴嘴146排出，用于切割許多金屬和 其他材料。當要停止切割時，閥124被激活以立即停止浮動活塞118的操作。應理解，閥124 僅對水作用，而不是磨蝕材料，因此不會經(jīng)歷極高的磨損。浮動活塞118的停止可導致能量被停止施加到漿體流114。這將導致漿體流114 和入口管道142中的壓力下降。一旦入口管道142中的壓力略微降至進入?yún)^(qū)域138中的水壓之下，水壓將防止?jié){ 體流動到進入?yún)^(qū)域138。應該理解，這通常在閥124激活時即時發(fā)生。輸出射流將從水/漿 體射流改變?yōu)閮H有水的射流。此時，漿體流114保持在高壓、零速度的狀態(tài)。在這些狀態(tài)下，漿體閥131可被關 閉，而不使閥131經(jīng)歷過大的磨損?！{體閥131已經(jīng)關閉，水閥133可被關閉以便停止水流。閥關閉的這個順序 可被快速地控制，由此提供方便的方式來在切割頭110起動和停止切割。當切割重新開始后，閥控制順序可反向實施，水閥133首先打開，然后是漿體閥 131。閥124接下來的打開導致漿體流基本同時地即時重新進入混合腔室134。對排出流的切割屬性控制可通過多個手段實現(xiàn)，包括改變恒壓泵116的操作壓 力、改變通過定容泵120供應的體積，以及改變供應到系統(tǒng)的漿體的密度。對本領域的技術人員明顯的修改和改變可視為落入本發(fā)明的范圍。
權利要求
一種高壓切割裝置，包括液體流和漿體流，漿體包括懸浮在液體中的磨料顆粒，能量通過第一賦能機構供應到液體流，并且能量通過第二賦能機構供應至漿體流，第一和第二賦能機構的每個都可選擇地操作，其中，液體流和漿體流在切割工具中混合，被供應的能量的至少一部分在切割工具中被轉換為動能，以產(chǎn)生高速的液體和磨料混合流。
2.如權利要求1所述的高壓切割裝置，其中，由第一賦能機構供應的能量通過恒壓泵 提供。
3.如權利要求1或2所述的高壓切割裝置，其中，由第二賦能機構供應的能量通過恒流泵提供。
4.如權利要求3所述的高壓切割裝置，其中，恒流泵為活塞賦能，該浮動活塞由此對漿 體流加壓。
5.如權利要求4所述的高壓切割裝置，其中，閥可設置在恒流泵和所述活塞之間，從而 選擇性地防止能量從泵流動到該活塞。
6.如權利要求1所述的高壓切割裝置，其中，單個泵為第一和第二賦能機構二者提供能量°
7.如前述任一權利要求所述的高壓切割裝置，其中，切割工具包括混合腔室，該混合腔 室具有設置為接收液體流和漿體流的進入?yún)^(qū)域，其中，進入?yún)^(qū)域中的壓力由液體流的壓力 確定，且進入?yún)^(qū)域中的壓力作用在漿體流中的壓力上以調整漿體流中的壓力。
8.如權利要求7所述的高壓切割裝置，其中，液體流以及由此漿體流中的壓力大約為 300MPa。
9.如權利要求7或8所述的高壓切割裝置，其中，漿體流和液體流被設置為進入噴嘴， 該噴嘴是細長的，且漿體流和液體流沿細長方向取向。
10.如權利要求9所述的高壓切割裝置，其中，噴嘴具有中心軸線，漿體流沿該中心軸 線取向，且液體流繞漿體流被設置在環(huán)形結構中。
全文摘要
一種高壓切割裝置通過混合液體流和漿體流而形成，該液體諸如水，該漿體包括懸浮在液體中的磨粒。能量通過第一賦能機構供應到液體流，諸如通過恒壓泵。能量通過第二賦能機構供應至漿體，諸如通過由恒流泵供能的活塞。液體流和漿體流在切割工具中組合，被供應的能量的至少一部分被轉換為切割工具的動能，以產(chǎn)生高速的液體和磨料混合流。
文檔編號B24C5/02GK101835562SQ200880112406
公開日2010年9月15日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權日2007年8月21日
發(fā)明者丹尼克·利夫齊克, 喬舒亞·A·利夫齊克, 亞當·利夫齊克 申請人:研磨切割技術有限公司