[发明专利]用于流体/磨料射流切割装置的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及通过包括夹带的磨料颗粒的液体射流进行的切割(例如金属的切割)。

背景技术  

包括夹带的磨料颗粒的高速水射流用于切割目的自从1980已知。已知的切割水射流系统分为两类：磨料水射流(AWJ)系统和磨料浆射流(ASJ)系统。

AWJ系统通常以极高压力(150至600MPa量级)向喷嘴供应水。典型的WAJ喷嘴10在图1中示出。喷嘴10包括小孔12(直径为0.2mm至0.4mm)，该小孔通向混合腔室14。水由此以高速流动通过混合腔14。

小颗粒的磨蚀材料(通常是石榴石)通常通过重力馈入而穿过给料器16被供应给腔室。高速水18产生文氏管效应，磨蚀材料被吸入水射流。

水射流然后流动通过一定长度的管路，其已知为聚焦管道(focusingtube)20。通过聚焦管道的水和磨料通道用于使磨料颗粒沿水流方向加速。聚焦的水射流22然后通过聚焦管道出口24排出。水射流22——或者，更准确地，加速的磨粒——然后可用于切割材料，诸如金属。

孔12和聚焦管道20的出口24之间的喷嘴10中的能量损失可以很高。水的动能由于需要为磨蚀材料加速、为被文氏管夹带的空气加速而损失。由于磨粒在管道壁上“反弹”，在聚焦管道20中发生明显的摩擦损失。由于产生热，这导致能量损失。另外，该现象还导致聚焦管道的劣化，这通常需要在40小时的操作后替换该管道。

因此，已知的AWJ系统通常非常低效。

ASJ系统结合了两个流体流，液体(通常是水)流和浆体流。浆体包含磨料颗粒的悬浊液。两个液体流被设置在大约50至100Mpa的压力下，且被结合以形成单个流。组合流被迫通过孔，通常为1.0至2.0mm量级的直径，以产生具有夹带的磨料颗粒的水射流。

ASJ系统不像AWJ系统那样低效，因为在组合两种加压流时没有能量损耗。但是，已知的ASJ系统具有有限的商业价值。这部分地因为ASJ系统以比AWJ系统低得多的压力和射流速度操作，限制它们切割一些金属的能力。

ASJ系统还显示了操作中的明显难度，主要是因为加压磨料浆体的存在以及缺乏对其流动特性提供控制的有效手段。系统涉及泵送、运输和控制磨料浆体流动的部件经历极高的磨损率。这些磨损率随着压力增加而增加，限制ASJ系统可安全操作的压力。

更重要的是，起动和停止加压磨料流时存在固有的实际困难。当用于机加工，例如，切割水射流必须能够经常按指令起动和停止。对于ASJ系统，这需要阀顶住加压磨料流关闭。对于以此方式使用的阀的磨损率极高。应理解，在阀关闭时，流动的横截面积降低至零。该减少的流动面积导致在阀关闭时的流速相应增加，以及增加阀处的局部磨损。

在典型的工业CNC环境中，切割设备可用于非常频繁地起动和停止。这意味着阀顶住加压磨料流频繁打开和关闭，以及这些阀的快速磨损和劣化。因此，用于CNC机加工的ASJ系统的使用已知为本身不实际。

ASJ系统已经在现场环境，诸如油气安装和海下切割，在这种情况下，切割需要大体连续。ASJ系统已经不在工业CNC机加工中商业使用。

图2a和2b显示了已知ASJ系统的示意图。在基本单流系统30中，如图2a所示，高压水泵32推进浮动活塞34。活塞34对磨料浆体36加压并将其泵入切割喷嘴38。

简单的双流系统40如图2b所示。来自泵32的水被分为两个流，其中一个用于通过浮动活塞34以与单流系统30类似的方式加压和泵送浆体36。另一流，专用水流35在切割喷嘴38之前的汇接点与加压浆体流37混合。

这两个系统都具有上述问题，并导致非常高的阀磨损率。其它问题包括因为管道和喷嘴中的极度磨损而导致的不恒定切割速度。

授予Krasnoff的4,707,952号美国专利中提出一种替换结构。Krasnoff系统50的示意结构在图3a中示出。Krasnoff系统与双流系统40类似，区别在于水流35和浆体流37的混合在切割喷嘴38内的混合腔室52中进行。

Krasnoff的混合腔室52的更详细视图在图3b中示出。喷嘴38提供了双级加速。首先，水流35和浆体流37通过通向混合腔室52的独立喷嘴加速。然后，混合的水和磨料流通过最终出口54加速。

Krasnoff系统被设置为以大约16MPa的压力操作，明显低于其它ASJ系统。同样，浆体流37的冲击(仍然对阀造成损坏)导致与更高压力系统相比减小的阀磨损率。推论当然是Krasnoff系统的动力输出明显低于其它ASJ系统，由此，其商业应用较少。申请人不知道Krasnoff系统已在商业上被应用。