[发明专利]用于磨料射流切割系统的精细切口切割的喷嘴

说明书

技术领域

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

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(waterjet)”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 waterjet)”或“AWJ”系统。其他这种系统涉及使用磨料浆(abrasive slurry)或浆体，并通常被称作“磨料浆射流”或“磨料浆体射流”或“ASJ”。

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0.1至0.7mm)流出。离开晶体14的精细射流进入混合腔16。石榴石(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。

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。

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0.45mm至2.5mm的切口尺寸。

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。

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割，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0.45mm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。

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0.01mm至0.2mm的切口尺寸。

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。

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。

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。

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

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。