一种低温辅助前混合磨料水射流装置及方法

1.本发明涉及高压磨料水射流技术领域，尤其涉及一种低温辅助前混合磨料水射流装置及方法。


背景技术：

2.随着生产发展和科学实验的需要，对高硬度、高脆性和高熔点金属的需求不断增长。很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高温、高压等方向发展，它们使用的材料越来越难加工，对加工精度、表面粗糙度等要求也越来越高，机加工等传统的加工手段具有刀具易磨损、可选材料少、切向力大等缺点，难以达到良好的加工效率、精度和加工质量。而磨料水射流加工是一种新型的特种加工方法，属于非接触式加工，其工作原理是是通过一定的技术手段，将一定粒度的磨料粒子加入到高压水管路系统中，使磨料粒子与高压水进行充分地混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有高速度和和高能量的磨料粒子流——磨料射流，从而实现对物料的加工，因此可避免传统加工方式的缺点。磨料水射流加工已越来越多地应用于一些难加工材料的切削加工中。
3.磨料水射流加工技术有独特的优势，但是也存在许多制约其发展的瓶颈问题，如水泵压力需求大、加工精度不够高等等。为了解决磨料水射流加工技术存在的问题，本发明基于具有高硬度和高熔点的金属会发生“冷脆”现象的特点，提出了低温辅助前混合磨料水射流加工方法，通过在前混合磨料水射流装置上加装低温辅助装置，大大降低了磨料水射流在切割过程中的温度，在一定程度上减小了切割压力并提高了加工精度、改善了表面切割质量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种低温辅助前混合磨料水射流装置及方法。
5.为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种低温辅助前混合磨料水射流装置及方法，包括前混合磨料水射流装置和低温辅助装置，所述前混合磨料水射流装置设置有依次连接的高压水泵、混合腔、磨料罐、砂阀、数控平台、高压水喷嘴，所述低温辅助装置设置有依次连接的液氮喷嘴、气阀、液氮罐、空气泵。低温辅助前混合磨料水射流方法是水射流通过中央管路经过高压水喷嘴喷出高压磨料水射流，液氮经过液氮喷嘴形成液氮射流，液氮射流在前打击靶物形成低温区域，高压水射流在后打击低温区域，即低温辅助前混合磨料水射流方法。
6.作为上述技术方案的进一步描述：所述高压水喷嘴与所述液氮喷嘴的间距为 10毫米。
7.作为上述技术方案的进一步描述：所述磨料罐内的磨料为石榴砂或金刚砂。
8.作为上述技术方案的进一步描述：所述数控平台上的被加工靶物为具有高硬度和高熔点的金属。
9.作为上述技术方案的进一步描述：低温下，金属一般会产生无明显塑性变形而脆性断裂的现象，即“冷脆”；所述具有高硬度和高熔点的金属会发生“冷脆”现象。
10.作为上述技术方案的进一步描述：一种低温辅助前混合磨料水射流装置的低温辅助前混合磨料水射流方法，其特征在于：按如下工艺步骤操作：
11.第一步：如附图所示，将低温辅助前混合磨料水射流装置的所有部件按顺序安装连接；
12.第二步：先打开数控平台的电源，将高压水喷嘴移动至靶物上方，以磁铁或夹具将靶物固定在数控平台上，调节合适的靶距，再将高压水喷嘴和液氮喷嘴移至靶物切割初始点，液氮喷嘴在前，位于靶物切割初始点正上方，高压水喷嘴在液氮喷嘴后10毫米处；
13.第三步：打开高压水泵的电源，调至所需压力，使高压水从中央管路注入，通过高压水喷嘴喷出；
14.第四步：打开砂阀，磨料经砂阀进入混合腔与高压水混合，最后通过高压水喷嘴喷出，形成磨料水射流；混合腔的作用是促使磨料与水混合充分；
15.第五步：打开空气泵的电源，打开气阀，经空气挤压，使液氮从液氮罐经液氮喷嘴喷出，形成液氮射流，打击靶物切割初始点，使靶物温度降低；
16.第六步：设置好喷嘴横移速率、初始点终点的坐标等参数，运行数控平台的切割程序，对靶物进行切割；
17.第七步：待工作完成，先关闭气阀，再关闭空气泵的电源，然后关闭砂阀，其次关闭高压水泵的电源，后将高压水喷嘴和液氮喷嘴移动至安全位置，关闭数控平台的电源。
18.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明通过在前混合磨料水射流装置上加装低温辅助装置，低温辅助装置所用的冷却液为液氮，液氮由液氮喷嘴喷出后迅速汽化，极大程度上减小了磨料水射流在切割过程中的温度；
20.低温下，金属一般会产生无明显塑性变形而脆性断裂的现象，即“冷脆”，所述靶物为具有高硬度和高熔点的金属会发生“冷脆”现象，此现象导致在其他条件相同的情况下，低温辅助前混合磨料水射流与常温前混合磨料水射流的切割压力相比大大降低；
21.经过试验验证，在其他条件相同的情况下，低温辅助前混合磨料水射流切割的金属表面粗糙度与常温前混合磨料水射流切割的金属表面粗糙度相比大大降低。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
24.1—高压水泵，2—混合腔，3—磨料罐，4—砂阀，5—数控平台，6—高压水喷嘴，7—液氮喷嘴，8—气阀，9—液氮罐，10—空气泵。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.如图所示，一种低温辅助前混合磨料水射流装置，前混合磨料水射流装置设置有依次连接的高压水泵1、混合腔2、数控平台5、高压水喷嘴6，所述混合腔2 连接有砂阀4，所述砂阀4连接有磨料罐3，所述低温辅助装置设置有依次连接的液氮喷嘴7、气阀8、液氮罐9、空气泵10。
28.一种低温辅助前混合磨料水射流方法，按如下工艺步骤操作：
29.第一步：如附图所示，将低温辅助前混合磨料水射流装置的所有部件按顺序安装连接；
30.第二步：先打开数控平台5的电源，将高压水喷嘴6移动至靶物上方，以磁铁或夹具将靶物固定在数控平台5上，调节合适的靶距，再将高压水喷嘴6和液氮喷嘴7移至靶物切割初始点，液氮喷嘴7在前，位于靶物切割初始点正上方，高压水喷嘴6在液氮喷嘴7后10毫米处；经试验测量，最优靶距一般为5毫米；
31.第三步：打开高压水泵1的电源，调至所需压力，使高压水从中央管路注入，通过高压水喷嘴6喷出；
32.第四步：打开砂阀4，磨料经砂阀4进入混合腔2与高压水混合，最后通过高压水喷嘴6喷出，形成磨料水射流；混合腔2的作用是促使磨料与水混合充分；
33.第五步：打开空气泵10的电源，打开气阀8，经空气挤压，使液氮从液氮罐 9经液氮喷嘴7喷出，形成液氮射流，打击靶物切割初始点，使靶物温度降低；
34.第六步：设置好喷嘴横移速率、初始点终点的坐标等参数，运行数控平台5 的切割程序，对靶物进行切割；经试验测量，喷嘴横移速率为70mm/min时，切割效果较优；
35.第七步：待工作完成，先关闭气阀8，再关闭空气泵10的电源，然后关闭砂阀4，其次关闭高压水泵1的电源，后将高压水喷嘴6和液氮喷嘴7移动至安全位置，关闭数控平台5的电源；
36.第八步：最后将靶物的切割断面采用srm系列表面粗糙度测量仪进行测量；经试验测量，采用低温辅助前混合磨料水射流方法比普通前混合磨料水射流的切割断面粗糙度低、表面切割质量大大提高、所需切割压力大大降低。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。