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
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. 6mm的 内径，并且可以由金刚石或蓝宝石材料构成。模具64的下游是混合腔92。在图示的示例中， 混合腔92限定在通过螺纹连接件70与入口段60配合的喷嘴壳体80中。混合腔92具有 比模具64的入口孔66大的横截面积。混合腔92的下游是聚焦段100,聚焦段100终止于 用于产生高压磨料射流的射流限定出口孔102。聚焦段100用于使水准直以形成射流。聚 焦段100优选为喷嘴的紧邻出口孔102的恒径（constant-diameter)部分，出口孔102用 作刀头50的出口。可以选择聚焦段的长度以增大出射束凝聚性（coherency)和/或增大 混合管的总体使用寿命。出口孔102可以具有任意适当的尺寸，这很大程度上取决于所用 的磨料颗粒的粒度分布。例如，射流限定孔102可以具有范围为约0. 08到约0. 6mm的直径。 如本领域所知，喷嘴壳体80可以包括喷嘴90,喷嘴90由与喷嘴壳体80的其余部分不同的 材料构成，并压配合或机械固定到主体上的相应开口中。例如，可以选择碳化鹤（tungsten carbide)作为喷嘴90的材料，以提供更高的耐用性和使用寿命。
[0026] 根据本发明的优选实施方式，刀头50设置成用于非常精细的切口切割，例如以提 供宽度小于〇. 5mm的切口，例如宽度约0. 050mm至约0. 45mm的切口。在这种实施方式中， 入口液体压力的范围为约3000至4000巴可能是适当的。在这种实施方式中，入口孔66可 以具有范围为约0. 08至0. 45mm的面积/直径，且射流限定出口孔102可以具有约0. 08mm 至约0· 6mm的面积/直径。
[0027] 与现有技术相反，根据本发明，喷嘴90具有新颖的内部几何结构，该新颖的内部 几何结构设置为提供非常精细的切割束，且由此获得的非常精细的切口切割。该新颖的内 部几何结构特别与喷嘴90/喷嘴壳体80的混合段的结构最为相关，该结构也就是在任意聚 焦段100之前，即，喷嘴90的使磨料浆体流在其中因高压液体射流加速并与高压液体射流 混合的部分。具体地，混合腔92设有释放侧壁部（relieved sidewall portion)，该释放侧 壁部在由导管62到出口孔102之间的射流路径外侧从聚焦段径向向外延伸。因此，所述侧 壁从上游端朝向出口孔102向内渐缩。该释放侧壁在浆体入口和射流路径之间产生间隙空 间，并有效增大浆体的用于在液体射流中夹带的暴露表面积。
[0028] 另外，在紧邻所述释放侧壁部的单独的周向位置设置有浆体口。在浆体中使用精 细磨料颗粒，释放侧壁、射流和混合腔侧壁之间减小的整体间隙，以及/或者邻近/或沿着 释放侧壁逐渐引入磨料浆体允许可控地将磨料夹带到切割束中，使得在短距离内快速加速 磨料颗粒并因此具有整体更短的喷嘴长度，这将在下文更详细说明。更短的整体喷嘴长度 是有利的，因为在水射流束中因水射流束与管道之间的摩擦导致的能量损耗更少。此外，很 短的喷嘴能够提供更分散的射出束，并因此在待切割的目标材料中产生渐缩的切割。这在 一些将自泄压槽（self-relieving slot)作为重要要求的工业筛（industrial screen)的 生产中是有利的。
[0029] 已经发现的是，混合腔92具有比入口孔66的直径大1. 5-2倍的宽度是适当的。 例如，已经发现的是，对于直径测量为0.1 mm的入口孔来说，混合腔的名义宽度（nominal width，不包括释放部）测量为0. 15到0. 2mm是适当的。当束穿过混合腔时，这种布置在束 和混合腔的侧壁之间提供最小间隙。可以相信的是，该最小间隙减小了磨料颗粒撞击在侧 壁上和颗粒成团的可能性，并且提高了颗粒在穿过的束中的夹带。
[0030] 现在参考图3至图7,喷嘴壳体80限定细长通道82,该细长通道与入口孔66流体 连通，并因而与入口导管62流体连通。细长通道82沿居中于入口孔66的轴线X延伸至出 口孔102,最佳如图3所示。细长通道82贯穿混合腔92和聚焦段100。在一些实施方式中， 聚焦段的长度是喷嘴90的长度的约10 %至约50%，混合腔92的长度是喷嘴90的长度的 约1 %至约80%。综合考虑能量损耗率和切割速度，可以改变聚焦段长度以在增大的束凝 聚性和喷嘴寿命之间作权衡。
[0031] 最佳如图4和图7所示，混合腔92由喷嘴壳体80的侧壁94限定。喷嘴壳体80 还限定与细长通道82流体连通的至少一个开口 96,以允许混合腔92中进入浆体的低压 流。例如，衆体流可以通过包括懦动泵（peristaltic pump)的压力系统加压，该懦动泵用 于以约为水束质量的8-20%的质量流率（mass flow rate)供给衆体流。所述衆体流包括 悬浮在液体中（例如水中）的磨料颗粒。例如，磨料颗粒可以包括石榴石、沙子、氧化铝、橄 榄石（olivine)或其他AWJ应用中经常使用的材料。再例如，这些颗粒可以具有范围为约 0. 005mm至约0. 225mm的平均粒度。在本发明的优选实施方式中，磨料颗粒被选择成提供非 常精细的切口切割，并且具有范围为约〇. 15mm至0. 225mm的平均粒度。
[0032] 根据本发明，混合腔92的侧壁94具有释放部98,最佳如图7所示。在聚焦段100 和浆体入口 96之间的区域，释放部98从轴线X径向向外延伸。该释放部98设置为从浆体 入口 96的下游边缘开始逐渐收缩。在一些实施方式中，该收缩持续到聚焦段100,如图7所 示。因此，侧壁的释放部98中混合腔92的侧壁94和沿轴线X延伸的射流路径之间产生间 隙空间，并有助于使通过浆体口 96接纳的浆体流沿释放部98向下流动，如图8中所示意。 释放部98的所有部分均未设置为横跨X轴线或射流的路径，横跨X轴线或射流的路径会导 致射流撞击在侧壁上。相反，释放部98在穿过模具孔66到出口孔102的射流路径外侧产 生间隙空间，其中模具孔66和出口孔102与轴线X同心排列。这种排列基本上防止了通过 的水射流与喷嘴主体的撞击和由此导致的磨损以及能量损耗。因此，释放部并不用于改变 液体流的方向，或者加速或聚焦液体流，而是为浆体流在射流路径外侧产生沿释放侧壁的 表面区域的间隙空间。来自浆体口 96和/或沿释放侧壁流动的磨料颗粒浆体由通过的沿 侧壁或其他部分的束捡拾并加速，从而为磨料颗粒在短距离提供快速加速。另外，逐步供给 浆体有助于防止阻塞和过度撞击，并且还有助于以有序方式改善颗粒夹带。
[0033] 应该注意的是，在一些实施方式中，通道82在横向于轴线X的横截面上不对称 (参见喷嘴90,图6)。在一些实施方式中，通道82通过以下方式来形成：在实心坯料（solid blank)中设置中心通过孔，该中心通过孔的尺寸形成为能够设置所需的出口孔102尺寸； 以及随后还加工（work)该坯料，以设置相对于聚焦段100径向向外延伸的释放侧壁98。因 此，由于还加工所述坯料，所述侧壁还可以从浆体口 96的上方（上游）释放/渐缩，但侧壁 94的该渐缩部分并不被严格要求达到本文所描述的结果。
[0034] 例如，出口孔102和所述通过孔的横截面可以是圆形，并且可以具有范围为约 0· 15mm至约0.45mm的直径。应该注意的是，出口孔102、浆体口 96、入口孔66和所述中心 孔的尺寸以及磨料颗粒尺寸必须均为考虑到防止被磨料颗粒堵塞来设置尺寸。例如，已经 发现的是，出口孔102或中心孔的直径为磨料粒度的2-3倍是合 适的。浆体口 96应该不小 于磨料粒度的三倍。因此，对于非常精细的切口切割来说，已经发现的是，模具入口孔的范 围为约0. 08mm至约0. 6mm，中心孔的范围为约0. 15至.45mm，并且最大粒度的范围为约15 微米至约225微米是合适的。
[0035] 另外，与传统的现有的刀头的大约70mm至约150mm的长度相比，根据本发明，从进 孔68到射流限定孔102的刀头长度较短短，测量长度为约20mm至约50mm。较短的长度使 当磨料颗粒彼此碰撞或磨料颗粒与刀头部件碰撞时的能量损耗的可能性更小。
[0036] 根据粒度的变化，可以改变释放侧壁98和轴线X之间限定的释放角度。该释放角 度由所述渐缩的沿轴线X方向的长度和所述渐缩从在浆体口 96的下游端处的所述轴线X 延伸的径向距离r限定（参见图7)。通常，适当的径向距离r为平均粒度的约2. 5至约4 倍。
[0037] 在本实施方式中，刀头50为多件式设计，其包括通过连接件70机械连接到入口段 60的喷嘴壳体80,所述连接件70具有与入口段60的外螺纹匹配的内螺纹，最佳如图6所 示。喷嘴壳体80包括压配合或机械固定到喷嘴壳体中的喷嘴90、用于接纳浆体供给管线 74的至少一个导管84,该浆体供给管线74用于通过喷嘴口 96向喷嘴供给浆体。喷嘴壳体 80还限定用于接纳模具64的插座86,以及围绕模具64和插座86的压力密封件68。
[0038] 虽然是优选的，但在本示例性实施方式中，喷嘴90限定控制口 97,并且喷嘴壳体 80包括用于接纳控制介质供给管线76的第二导管88,该控制介质供给管线76用于通过喷 嘴的控制口 97向喷嘴供给控制介质。例如，所述控制介质可以是加压的气体或液体。通过 选择性地通过控制口 97向喷嘴90供给加压的控制介质，混合腔92被充分加压，以阻碍磨 料浆体流向喷嘴90中。因此，可以停止所述刀头的切割动作（通过使磨料流动停止），而无 需停止高压液体的流动。这种布置在公开号为No. PCT/EP2011/051579的PCT专利申请中 有更详细的说明，该申请的全部公开内容作为参考结合于此。这种布置尤其有利于非常精 细的切口切割应用，并且/或者用于需要频繁启动和停止切割动作的不连续切割应用。在 一种优选实施方式中，控制口 97设置中浆体入口 96的上游，以防止来自入口 96的浆体流 阻塞控制口 97。
[0039] 使用时，水或其它液体通过第一压力系统（例如恒压泵）加压到所需的压力（例 如3200巴）并作为高压液流束供给到图3所示的刀头50的入口段60。该高压液体穿过入 口段60的导管62并穿过模具64的入口孔66。小直径的入口孔66产生进入喷嘴壳体80 的细长通道82的高速（例如2马赫（Mach 2))液体射流。
[0040] 浆体通过第二压力系统（例如蠕动泵）以所需的质量流率加压并被作为低压浆体 流束供给到刀头的喷嘴90的浆体口 96。
[0041] 应该注意的是，应彼此配合地选择所述衆体和液体的流速（flow rate)以提供满 意的结果。已经发现的是，浆体流速的范围为约8%至约20%对于很多应用来说是适当的。 例如，对于500g/min的水流速来说，衆体流速为50g/min可能是适当的。
[0042] 所述浆体被以足够低的压力和/或流速通过入口 96引入混合腔92,使得所述浆体 趋于沿释放侧壁98向下流动，如图8所示意显示的。通过的液体射流在混合腔92中产生 低压区域，该低压区域将所述浆体/磨料颗粒拖拽到通过的射流中。
[0043] 当所述液体和浆体沿细长通道82移动时，所述磨料颗粒和浆体被加速并很好地 混合到所述液体射流中。夹带磨料颗粒的液体随后穿过聚焦段100并以高速离开出口孔 102,例如以范围为1马赫至3马赫的超音速离开出口孔102。
[0044] 可以理解的是，只有当供给管线74内的压力超过混合腔92内的压力时，所述浆体 才会流入喷嘴中，在一些实施方式中，可以通过由控制口 97引入的压力控制介质来选择性 地提高或降低混合腔92内的压力以进而开始或停止浆体流动。因此，如公开号为No. PCT/ EP2011/051579的PCT专利申请中描述的，切割可以被开始和停止，并且刀头50可以被操 控，从而以非常传统的方式有效切割，例如刀头50被支撑中传统的二维切割台（cutting table)上。
[0045] 示例实施方式
[0046]
[0048] 可以理解的是，本文描述的新颖的喷嘴结构对于很宽范围的粒度和切口尺寸是有 利的。但是，应该注意的是，本文描述的布置尤其有利于使用小于约〇. 45_(并优选在约 0.1 mm至约0. 45mm)的出口孔102/孔和射流，利用范围为约5微米至约225微米的磨料粒 度，进行宽度小于或等于约〇. 45mm (并优选在约0.1 mm至约0. 4mm)的精细切口切割。
[0049] 有利地，为了获得更细的液体射流和相对更低的液体流速，需要相对更小的泵。对 于给定的泵和流速，可以同时供应相对更多的射流和因此可以供应相对更多的刀头。例如， 已经发现的是，75kw的泵以101/min的流速适于产生3500巴（bar)的高压液体流束，能够 同时供应多达36个产生0.1 mm的磨料液体射流的刀头和多达9个产生0. 2mm磨料液体射流 的刀头。与可比较的现有系统相比是有利的，该现有系统中，通常同时供应4个产生0.08mm 至0. 45mm磨料液体射流的刀头。因此，本发明允许使用更细的射流，这不仅提供更精细的 切口，还能够对于给定的泵尺寸利用更多的刀头来提供相对更快的切割。
[0050] 虽然本文中已经描述了本发明的原理，但本领技术人员应该理解的是，本说明仅 用于举例而不是限制本发明的范围，并且在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的 情况下，可以进行各种细节改变。
【主权项】
1. 一种用于磨料射流切割系统的喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定沿轴线延伸的细长通道，所述细长通道限定混合腔和聚焦 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，所述混合腔具有侧壁，该 侧壁限定与所述细长通道流体连通的浆体口，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，所述混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦 段径向向内延伸。2. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部在所述浆体口和所述聚焦段之间在 沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。3. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段在沿 所述轴线延伸的方向上向内渐缩。4. 根据权利要求3所述的喷嘴，其中，所述释放部从所述浆体口到所述聚焦段在沿所 述轴线延伸的方向上向内渐缩。5. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述聚焦段具有固定的横截面直径。6. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述混合腔 的长度为所述第一长度的约1%至约80%。7. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述释放部 沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。8. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部在所述聚焦段和所述浆体口之间的 区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随沿所述轴线的轴向位置而改 变。9. 根据权利要求8所述 的喷嘴，其中，r大于约45微米且小于约900微米。10. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述细长通道在横向于所述轴线的横截面中不 对称。11. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述出口孔的横截面为圆形并具有范围为约 0. 15mm至约0. 45mm的直径。12. -种用于磨料射流切割系统的刀头，所述刀头包括： 入口段，该入口段限定通至入口孔的导管，以限定液体射流；以及 喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定细长通道，该细长通道沿相对于所述入口孔处于中心的轴 线延伸，以允许所述液体射流通过，所述细长通道限定混合腔和聚焦段，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，所述混合腔具有侧壁，该侧壁限定与所述细长 通道流体连通的浆体口，以允许包括悬浮中流体中的磨料颗粒的浆体的低压流进入，所述 混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段径向向内延伸。13. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述混合腔的宽度比所述入口孔的直径大约 1.5至约2.0倍。14. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述入口段限定进孔，并且其中，所述刀头具 有从所述进孔到所述出口孔的约20mm至约50mm的长度。15. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴机械连接于所述入口段。16. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部在所述浆体口和所述聚焦段之间 在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。17. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段在 沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。18. 根据权利要求17所述的刀头，其中，所述释放部从所述浆体口到所述聚焦段在沿 所述轴线延伸的方向上向内渐缩。19. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述聚焦段具有固定的横截面直径。20. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述混合 腔的长度为所述第一长度的约1%至约80%。21. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述释放 部沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。22. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部在所述聚焦段和所述浆体口之间 的区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随着沿所述轴线的轴向位置 而改变。23. 根据权利要求22所述的刀头，其中，r大于约45微米且小于约900微米。24. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述通道在横向于所述轴线的横截面上不对 称。25. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述出口孔的横截面为圆形并具有范围为约 0. 15mm至约0. 45mm的直径。26. -种磨料射流切割系统，包括： 刀头，该刀头包括： 入口段，该入口段限定通至入口孔的导管，以限定液体射流；以及 喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定细长通道，该细长通道沿相对于所述入口孔处于中心的轴 线延伸，以允许所述液体射流通过，所述细长通道限定混合腔和聚焦段，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，所述混合腔具有侧壁，该侧壁限定与所述细长 通道流体连通的浆体口，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 混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段径向向内延伸； 第一压力系统，该第一压力系统设置为向所述刀头供给高压液体流； 第二压力系统，该第二压力系统设置为通过所述浆体口供给浆体流。27. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述第一压力系统设置为以第 一质量流率供给所述高压液体流，并且其中，所述第二压力系统设置为以第二质量流率供 给所述浆体流，所述第二质量流率为所述第一质量流率的约8%至20%。28. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述磨料颗粒具有范围为约 0. 005mm至约0. 225mm的平均粒度。29. 根据权利要求28所述的磨料射流切割系统，其中，所述磨料颗粒具有范围为约 0. 15mm至约0. 225mm的平均粒度。30. 根据权利要求29所述的磨料射流切割系统，其中，所述出口孔的直径范围为平均 磨料粒度的约2至约3倍。31. 根据权利要求29所述的磨料射流切割系统，其中，所述浆体口的横截面面积大于 所述平均磨料粒度的三倍。32. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述混合腔的宽度比所述入口 孔的直径大约1.5至约2倍。33. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述入口段限定进孔，并且其 中，所述刀头具有从所述进孔到所述出口孔的约20mm至约50mm长的长度。34. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴机械连接于所述入口 段。35. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部在所述浆体口和所 述聚焦段之间在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。36. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部从所述浆体口朝向 所述聚焦段在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。37. 根据权利要求36所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部从所述浆体口到所 述聚焦段在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。38. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述聚焦段具有固定的横截面 直径。39. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其 中，所述混合腔的长度为所述第一长度的约1%至约80%。40. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其 中，所述释放部沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。41. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部在所述聚焦段和所 述浆体口之间的区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随着沿所述轴 线的轴向位置而改变。42. 根据权利要求41所述的磨料射流切割系统，其中，r大于约45微米并小于约900 微米。43. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述通道在横向于所述轴线的 横截面上不对称。44. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述出口孔的横截面为圆形并 具有范围为约〇? 15mm至约0? 45mm的直径。
【专利摘要】本发明提供一种用于高压磨料射流切割系统的喷嘴，其尤其适于使用非常细的磨料颗粒(例如平均粒度小于约250微米)的精细切口切割(例如，0.050至0.45mm)。所述喷嘴具有喷嘴壳体，该喷嘴壳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。所述混合段的所述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。
【IPC分类】B24C1/04, B24C5/02, B24C5/04
【公开号】CN104903054
【申请号】CN201380062661
【发明人】P·A·J·雅尼切克
【申请人】茵福特科有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年10月15日
【公告号】EP2906391A1, US20150321316, WO2014062057A1
【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. 6mm的 内径，并且可以由金刚石或蓝宝石材料构成。模具64的下游是混合腔92。在图示的示例中， 混合腔92限定在通过螺纹连接件70与入口段60配合的喷嘴壳体80中。混合腔92具有 比模具64的入口孔66大的横截面积。混合腔92的下游是聚焦段100,聚焦段100终止于 用于产生高压磨料射流的射流限定出口孔102。聚焦段100用于使水准直以形成射流。聚 焦段100优选为喷嘴的紧邻出口孔102的恒径（constant-diameter)部分，出口孔102用 作刀头50的出口。可以选择聚焦段的长度以增大出射束凝聚性（coherency)和/或增大 混合管的总体使用寿命。出口孔102可以具有任意适当的尺寸，这很大程度上取决于所用 的磨料颗粒的粒度分布。例如，射流限定孔102可以具有范围为约0. 08到约0. 6mm的直径。 如本领域所知，喷嘴壳体80可以包括喷嘴90,喷嘴90由与喷嘴壳体80的其余部分不同的 材料构成，并压配合或机械固定到主体上的相应开口中。例如，可以选择碳化鹤（tungsten carbide)作为喷嘴90的材料，以提供更高的耐用性和使用寿命。
[0026] 根据本发明的优选实施方式，刀头50设置成用于非常精细的切口切割，例如以提 供宽度小于〇. 5mm的切口，例如宽度约0. 050mm至约0. 45mm的切口。在这种实施方式中， 入口液体压力的范围为约3000至4000巴可能是适当的。在这种实施方式中，入口孔66可 以具有范围为约0. 08至0. 45mm的面积/直径，且射流限定出口孔102可以具有约0. 08mm 至约0· 6mm的面积/直径。
[0027] 与现有技术相反，根据本发明，喷嘴90具有新颖的内部几何结构，该新颖的内部 几何结构设置为提供非常精细的切割束，且由此获得的非常精细的切口切割。该新颖的内 部几何结构特别与喷嘴90/喷嘴壳体80的混合段的结构最为相关，该结构也就是在任意聚 焦段100之前，即，喷嘴90的使磨料浆体流在其中因高压液体射流加速并与高压液体射流 混合的部分。具体地，混合腔92设有释放侧壁部（relieved sidewall portion)，该释放侧 壁部在由导管62到出口孔102之间的射流路径外侧从聚焦段径向向外延伸。因此，所述侧 壁从上游端朝向出口孔102向内渐缩。该释放侧壁在浆体入口和射流路径之间产生间隙空 间，并有效增大浆体的用于在液体射流中夹带的暴露表面积。
[0028] 另外，在紧邻所述释放侧壁部的单独的周向位置设置有浆体口。在浆体中使用精 细磨料颗粒，释放侧壁、射流和混合腔侧壁之间减小的整体间隙，以及/或者邻近/或沿着 释放侧壁逐渐引入磨料浆体允许可控地将磨料夹带到切割束中，使得在短距离内快速加速 磨料颗粒并因此具有整体更短的喷嘴长度，这将在下文更详细说明。更短的整体喷嘴长度 是有利的，因为在水射流束中因水射流束与管道之间的摩擦导致的能量损耗更少。此外，很 短的喷嘴能够提供更分散的射出束，并因此在待切割的目标材料中产生渐缩的切割。这在 一些将自泄压槽（self-relieving slot)作为重要要求的工业筛（industrial screen)的 生产中是有利的。
[0029] 已经发现的是，混合腔92具有比入口孔66的直径大1. 5-2倍的宽度是适当的。 例如，已经发现的是，对于直径测量为0.1 mm的入口孔来说，混合腔的名义宽度（nominal width，不包括释放部）测量为0. 15到0. 2mm是适当的。当束穿过混合腔时，这种布置在束 和混合腔的侧壁之间提供最小间隙。可以相信的是，该最小间隙减小了磨料颗粒撞击在侧 壁上和颗粒成团的可能性，并且提高了颗粒在穿过的束中的夹带。
[0030] 现在参考图3至图7,喷嘴壳体80限定细长通道82,该细长通道与入口孔66流体 连通，并因而与入口导管62流体连通。细长通道82沿居中于入口孔66的轴线X延伸至出 口孔102,最佳如图3所示。细长通道82贯穿混合腔92和聚焦段100。在一些实施方式中， 聚焦段的长度是喷嘴90的长度的约10 %至约50%，混合腔92的长度是喷嘴90的长度的 约1 %至约80%。综合考虑能量损耗率和切割速度，可以改变聚焦段长度以在增大的束凝 聚性和喷嘴寿命之间作权衡。
[0031] 最佳如图4和图7所示，混合腔92由喷嘴壳体80的侧壁94限定。喷嘴壳体80 还限定与细长通道82流体连通的至少一个开口 96,以允许混合腔92中进入浆体的低压 流。例如，衆体流可以通过包括懦动泵（peristaltic pump)的压力系统加压，该懦动泵用 于以约为水束质量的8-20%的质量流率（mass flow rate)供给衆体流。所述衆体流包括 悬浮在液体中（例如水中）的磨料颗粒。例如，磨料颗粒可以包括石榴石、沙子、氧化铝、橄 榄石（olivine)或其他AWJ应用中经常使用的材料。再例如，这些颗粒可以具有范围为约 0. 005mm至约0. 225mm的平均粒度。在本发明的优选实施方式中，磨料颗粒被选择成提供非 常精细的切口切割，并且具有范围为约〇. 15mm至0. 225mm的平均粒度。
[0032] 根据本发明，混合腔92的侧壁94具有释放部98,最佳如图7所示。在聚焦段100 和浆体入口 96之间的区域，释放部98从轴线X径向向外延伸。该释放部98设置为从浆体 入口 96的下游边缘开始逐渐收缩。在一些实施方式中，该收缩持续到聚焦段100,如图7所 示。因此，侧壁的释放部98中混合腔92的侧壁94和沿轴线X延伸的射流路径之间产生间 隙空间，并有助于使通过浆体口 96接纳的浆体流沿释放部98向下流动，如图8中所示意。 释放部98的所有部分均未设置为横跨X轴线或射流的路径，横跨X轴线或射流的路径会导 致射流撞击在侧壁上。相反，释放部98在穿过模具孔66到出口孔102的射流路径外侧产 生间隙空间，其中模具孔66和出口孔102与轴线X同心排列。这种排列基本上防止了通过 的水射流与喷嘴主体的撞击和由此导致的磨损以及能量损耗。因此，释放部并不用于改变 液体流的方向，或者加速或聚焦液体流，而是为浆体流在射流路径外侧产生沿释放侧壁的 表面区域的间隙空间。来自浆体口 96和/或沿释放侧壁流动的磨料颗粒浆体由通过的沿 侧壁或其他部分的束捡拾并加速，从而为磨料颗粒在短距离提供快速加速。另外，逐步供给 浆体有助于防止阻塞和过度撞击，并且还有助于以有序方式改善颗粒夹带。
[0033] 应该注意的是，在一些实施方式中，通道82在横向于轴线X的横截面上不对称 (参见喷嘴90,图6)。在一些实施方式中，通道82通过以下方式来形成：在实心坯料（solid blank)中设置中心通过孔，该中心通过孔的尺寸形成为能够设置所需的出口孔102尺寸； 以及随后还加工（work)该坯料，以设置相对于聚焦段100径向向外延伸的释放侧壁98。因 此，由于还加工所述坯料，所述侧壁还可以从浆体口 96的上方（上游）释放/渐缩，但侧壁 94的该渐缩部分并不被严格要求达到本文所描述的结果。
[0034] 例如，出口孔102和所述通过孔的横截面可以是圆形，并且可以具有范围为约 0· 15mm至约0.45mm的直径。应该注意的是，出口孔102、浆体口 96、入口孔66和所述中心 孔的尺寸以及磨料颗粒尺寸必须均为考虑到防止被磨料颗粒堵塞来设置尺寸。例如，已经 发现的是，出口孔102或中心孔的直径为磨料粒度的2-3倍是合 适的。浆体口 96应该不小 于磨料粒度的三倍。因此，对于非常精细的切口切割来说，已经发现的是，模具入口孔的范 围为约0. 08mm至约0. 6mm，中心孔的范围为约0. 15至.45mm，并且最大粒度的范围为约15 微米至约225微米是合适的。
[0035] 另外，与传统的现有的刀头的大约70mm至约150mm的长度相比，根据本发明，从进 孔68到射流限定孔102的刀头长度较短短，测量长度为约20mm至约50mm。较短的长度使 当磨料颗粒彼此碰撞或磨料颗粒与刀头部件碰撞时的能量损耗的可能性更小。
[0036] 根据粒度的变化，可以改变释放侧壁98和轴线X之间限定的释放角度。该释放角 度由所述渐缩的沿轴线X方向的长度和所述渐缩从在浆体口 96的下游端处的所述轴线X 延伸的径向距离r限定（参见图7)。通常，适当的径向距离r为平均粒度的约2. 5至约4 倍。
[0037] 在本实施方式中，刀头50为多件式设计，其包括通过连接件70机械连接到入口段 60的喷嘴壳体80,所述连接件70具有与入口段60的外螺纹匹配的内螺纹，最佳如图6所 示。喷嘴壳体80包括压配合或机械固定到喷嘴壳体中的喷嘴90、用于接纳浆体供给管线 74的至少一个导管84,该浆体供给管线74用于通过喷嘴口 96向喷嘴供给浆体。喷嘴壳体 80还限定用于接纳模具64的插座86,以及围绕模具64和插座86的压力密封件68。
[0038] 虽然是优选的，但在本示例性实施方式中，喷嘴90限定控制口 97,并且喷嘴壳体 80包括用于接纳控制介质供给管线76的第二导管88,该控制介质供给管线76用于通过喷 嘴的控制口 97向喷嘴供给控制介质。例如，所述控制介质可以是加压的气体或液体。通过 选择性地通过控制口 97向喷嘴90供给加压的控制介质，混合腔92被充分加压，以阻碍磨 料浆体流向喷嘴90中。因此，可以停止所述刀头的切割动作（通过使磨料流动停止），而无 需停止高压液体的流动。这种布置在公开号为No. PCT/EP2011/051579的PCT专利申请中 有更详细的说明，该申请的全部公开内容作为参考结合于此。这种布置尤其有利于非常精 细的切口切割应用，并且/或者用于需要频繁启动和停止切割动作的不连续切割应用。在 一种优选实施方式中，控制口 97设置中浆体入口 96的上游，以防止来自入口 96的浆体流 阻塞控制口 97。
[0039] 使用时，水或其它液体通过第一压力系统（例如恒压泵）加压到所需的压力（例 如3200巴）并作为高压液流束供给到图3所示的刀头50的入口段60。该高压液体穿过入 口段60的导管62并穿过模具64的入口孔66。小直径的入口孔66产生进入喷嘴壳体80 的细长通道82的高速（例如2马赫（Mach 2))液体射流。
[0040] 浆体通过第二压力系统（例如蠕动泵）以所需的质量流率加压并被作为低压浆体 流束供给到刀头的喷嘴90的浆体口 96。
[0041] 应该注意的是，应彼此配合地选择所述衆体和液体的流速（flow rate)以提供满 意的结果。已经发现的是，浆体流速的范围为约8%至约20%对于很多应用来说是适当的。 例如，对于500g/min的水流速来说，衆体流速为50g/min可能是适当的。
[0042] 所述浆体被以足够低的压力和/或流速通过入口 96引入混合腔92,使得所述浆体 趋于沿释放侧壁98向下流动，如图8所示意显示的。通过的液体射流在混合腔92中产生 低压区域，该低压区域将所述浆体/磨料颗粒拖拽到通过的射流中。
[0043] 当所述液体和浆体沿细长通道82移动时，所述磨料颗粒和浆体被加速并很好地 混合到所述液体射流中。夹带磨料颗粒的液体随后穿过聚焦段100并以高速离开出口孔 102,例如以范围为1马赫至3马赫的超音速离开出口孔102。
[0044] 可以理解的是，只有当供给管线74内的压力超过混合腔92内的压力时，所述浆体 才会流入喷嘴中，在一些实施方式中，可以通过由控制口 97引入的压力控制介质来选择性 地提高或降低混合腔92内的压力以进而开始或停止浆体流动。因此，如公开号为No. PCT/ EP2011/051579的PCT专利申请中描述的，切割可以被开始和停止，并且刀头50可以被操 控，从而以非常传统的方式有效切割，例如刀头50被支撑中传统的二维切割台（cutting table)上。
[0045] 示例实施方式
[0046]
[0048] 可以理解的是，本文描述的新颖的喷嘴结构对于很宽范围的粒度和切口尺寸是有 利的。但是，应该注意的是，本文描述的布置尤其有利于使用小于约〇. 45_(并优选在约 0.1 mm至约0. 45mm)的出口孔102/孔和射流，利用范围为约5微米至约225微米的磨料粒 度，进行宽度小于或等于约〇. 45mm (并优选在约0.1 mm至约0. 4mm)的精细切口切割。
[0049] 有利地，为了获得更细的液体射流和相对更低的液体流速，需要相对更小的泵。对 于给定的泵和流速，可以同时供应相对更多的射流和因此可以供应相对更多的刀头。例如， 已经发现的是，75kw的泵以101/min的流速适于产生3500巴（bar)的高压液体流束，能够 同时供应多达36个产生0.1 mm的磨料液体射流的刀头和多达9个产生0. 2mm磨料液体射流 的刀头。与可比较的现有系统相比是有利的，该现有系统中，通常同时供应4个产生0.08mm 至0. 45mm磨料液体射流的刀头。因此，本发明允许使用更细的射流，这不仅提供更精细的 切口，还能够对于给定的泵尺寸利用更多的刀头来提供相对更快的切割。
[0050] 虽然本文中已经描述了本发明的原理，但本领技术人员应该理解的是，本说明仅 用于举例而不是限制本发明的范围，并且在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的 情况下，可以进行各种细节改变。
【主权项】
1. 一种用于磨料射流切割系统的喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定沿轴线延伸的细长通道，所述细长通道限定混合腔和聚焦 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，所述混合腔具有侧壁，该 侧壁限定与所述细长通道流体连通的浆体口，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，所述混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦 段径向向内延伸。2. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部在所述浆体口和所述聚焦段之间在 沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。3. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段在沿 所述轴线延伸的方向上向内渐缩。4. 根据权利要求3所述的喷嘴，其中，所述释放部从所述浆体口到所述聚焦段在沿所 述轴线延伸的方向上向内渐缩。5. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述聚焦段具有固定的横截面直径。6. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述混合腔 的长度为所述第一长度的约1%至约80%。7. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述释放部 沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。8. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述释放部在所述聚焦段和所述浆体口之间的 区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随沿所述轴线的轴向位置而改 变。9. 根据权利要求8所述 的喷嘴，其中，r大于约45微米且小于约900微米。10. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述细长通道在横向于所述轴线的横截面中不 对称。11. 根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述出口孔的横截面为圆形并具有范围为约 0. 15mm至约0. 45mm的直径。12. -种用于磨料射流切割系统的刀头，所述刀头包括： 入口段，该入口段限定通至入口孔的导管，以限定液体射流；以及 喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定细长通道，该细长通道沿相对于所述入口孔处于中心的轴 线延伸，以允许所述液体射流通过，所述细长通道限定混合腔和聚焦段，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，所述混合腔具有侧壁，该侧壁限定与所述细长 通道流体连通的浆体口，以允许包括悬浮中流体中的磨料颗粒的浆体的低压流进入，所述 混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段径向向内延伸。13. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述混合腔的宽度比所述入口孔的直径大约 1.5至约2.0倍。14. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述入口段限定进孔，并且其中，所述刀头具 有从所述进孔到所述出口孔的约20mm至约50mm的长度。15. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴机械连接于所述入口段。16. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部在所述浆体口和所述聚焦段之间 在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。17. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段在 沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。18. 根据权利要求17所述的刀头，其中，所述释放部从所述浆体口到所述聚焦段在沿 所述轴线延伸的方向上向内渐缩。19. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述聚焦段具有固定的横截面直径。20. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述混合 腔的长度为所述第一长度的约1%至约80%。21. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其中，所述释放 部沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。22. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述释放部在所述聚焦段和所述浆体口之间 的区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随着沿所述轴线的轴向位置 而改变。23. 根据权利要求22所述的刀头，其中，r大于约45微米且小于约900微米。24. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述通道在横向于所述轴线的横截面上不对 称。25. 根据权利要求12所述的刀头，其中，所述出口孔的横截面为圆形并具有范围为约 0. 15mm至约0. 45mm的直径。26. -种磨料射流切割系统，包括： 刀头，该刀头包括： 入口段，该入口段限定通至入口孔的导管，以限定液体射流；以及 喷嘴，该喷嘴包括： 喷嘴主体，该喷嘴主体限定细长通道，该细长通道沿相对于所述入口孔处于中心的轴 线延伸，以允许所述液体射流通过，所述细长通道限定混合腔和聚焦段，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，所述混合腔具有侧壁，该侧壁限定与所述细长 通道流体连通的浆体口，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 混合腔的所述侧壁包括释放部，该释放部从所述浆体口朝向所述聚焦段径向向内延伸； 第一压力系统，该第一压力系统设置为向所述刀头供给高压液体流； 第二压力系统，该第二压力系统设置为通过所述浆体口供给浆体流。27. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述第一压力系统设置为以第 一质量流率供给所述高压液体流，并且其中，所述第二压力系统设置为以第二质量流率供 给所述浆体流，所述第二质量流率为所述第一质量流率的约8%至20%。28. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述磨料颗粒具有范围为约 0. 005mm至约0. 225mm的平均粒度。29. 根据权利要求28所述的磨料射流切割系统，其中，所述磨料颗粒具有范围为约 0. 15mm至约0. 225mm的平均粒度。30. 根据权利要求29所述的磨料射流切割系统，其中，所述出口孔的直径范围为平均 磨料粒度的约2至约3倍。31. 根据权利要求29所述的磨料射流切割系统，其中，所述浆体口的横截面面积大于 所述平均磨料粒度的三倍。32. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述混合腔的宽度比所述入口 孔的直径大约1.5至约2倍。33. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述入口段限定进孔，并且其 中，所述刀头具有从所述进孔到所述出口孔的约20mm至约50mm长的长度。34. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴机械连接于所述入口 段。35. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部在所述浆体口和所 述聚焦段之间在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。36. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部从所述浆体口朝向 所述聚焦段在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。37. 根据权利要求36所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部从所述浆体口到所 述聚焦段在沿所述轴线延伸的方向上向内渐缩。38. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述聚焦段具有固定的横截面 直径。39. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其 中，所述混合腔的长度为所述第一长度的约1%至约80%。40. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述喷嘴具有第一长度，并且其 中，所述释放部沿所述轴线延伸第二长度，该第二长度为所述第一长度的约1 %至约80%。41. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述释放部在所述聚焦段和所 述浆体口之间的区域内从所述轴线径向向外延伸径向距离r，该径向距离r随着沿所述轴 线的轴向位置而改变。42. 根据权利要求41所述的磨料射流切割系统，其中，r大于约45微米并小于约900 微米。43. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述通道在横向于所述轴线的 横截面上不对称。44. 根据权利要求26所述的磨料射流切割系统，其中，所述出口孔的横截面为圆形并 具有范围为约〇? 15mm至约0? 45mm的直径。
【专利摘要】本发明提供一种用于高压磨料射流切割系统的喷嘴，其尤其适于使用非常细的磨料颗粒(例如平均粒度小于约250微米)的精细切口切割(例如，0.050至0.45mm)。所述喷嘴具有喷嘴壳体，该喷嘴壳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。所述混合段的所述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。
【IPC分类】B24C1/04, B24C5/02, B24C5/04
【公开号】CN104903054
【申请号】CN201380062661
【发明人】P·A·J·雅尼切克
【申请人】茵福特科有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年10月15日
【公告号】EP2906391A1, US20150321316, WO2014062057A1
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