磨料喷流切割加工方法及介质技术

一种喷流切割和加工的方法，它是将许多磨粒悬浮于一可流动的液体介质中，然后在高压下以高速喷射到工件上，其特征在于： Ａ．形成所述的介质，其中含有一种具有可重建的牺牲性化学键的聚合物，这些牺牲性键在高剪切条件下优先被破坏； Ｂ．将所述介质与在其中悬浮的磨料喷射到所述工件上进行所述的切割和加工，该过程中的剪切条件会使可重建的牺牲性化学键优先破坏； Ｃ．重建所述的化学键； Ｄ．将所述介质的磨料循环再用。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及喷流切割领域，具体是涉及磨料喷流切割。磨料喷流切割是将磨料颗粒在液体介质中的悬浮液在高压下，以很高的速度喷射到工件表面，进行切割操作。这种操作广泛应用于制造有用器物时对金属板材的切割。现有技术磨料喷流切割有了很大的发展，可广泛用于切割和机械加工的操作中，特别是对金属板材可进行快速的切割和其它有关的成形操作，且成本合算。其典型的用途一直是对难于加工的材料进行切割，这些材料包括诸如不锈钢、镍合金、增强聚合物复合材料、陶瓷、玻璃、岩石等。磨料喷流切割这种技术特别有利之处是它发生的切割作用是通过低的平均作用力但产生非常局域化的作用来实现的，结果对上述材料切割时热应力或形变甚小，结晶结构不受破坏，对复合材料且不会引起分层。为进行磨料喷流切割，使用一种特别的喷嘴装置，通过其中直径很小的喷嘴口投射出一股集中的方向准直的高压流束，形成喷流。通常使用约200兆帕(约30,000磅/吋2)以上的压力将流体介质通过喷嘴装置的喷嘴口喷出来。喷嘴装置一般使用耐磨材料，如碳化钨或硼化物(Boride)喷嘴口本身则用金刚石或蓝宝石制造。将磨料颗粒加入射出喷嘴口的高速水流中的方法，是将该水流引入一“混合管”中流过，并将磨料颗粒加入到位于水流离开喷嘴口和进入混合管的位置之间的区域，混合管一般长若干吋，它是个受限制的，湍流度极大的湍流区，相对静止的或运动速度慢的磨料颗粒就在此湍流区中被加速和夹带进入到高速水流中，其出喷嘴口时的速度可高达3马赫。在磨料被水流夹带的过程中，磨粒对管壁以及磨粒和磨粒之间有撞击作用，水流则受到分散和减速的作用。喷流分散得较宽，产生的切口也就较宽，能量产生了浪费，混合管即使采用碳化钨或硼化物等耐磨材料，其磨损也很快。有些实验研究表明，有70％的磨粒在到达被切割工件的表面以前已经碎裂。在新近的发展中，不含磨料的喷水流量用水溶性聚合物的办法得到了加稠，这有助于获得并保持集中的喷流，即减少了雾化的飞溅引起的分散程度。所得的切口就较窄。操作压力和速度可维持得相当高。对于悬浮有磨料的喷水流，在水中溶解聚合物的增稠效应也起着促进悬浮的作用。喷水流中含有磨粒，其切割效率比仅用水或用仅加有增稠剂的水的情况要大，但却引起一系列新的问题。存在问题因为喷流加工中所用的水压和水流速度很大，所以要维持喷流的集中性不容易。虽然采用增稠剂起了颇大的改进作用，但这种办法价格昂贵，因为用后的水连同其中溶解的聚合物均不能重复使用，这是由于在这类操作中所固有的高剪切作用使聚合物产生了降解。降解聚合物仍溶于水中，引起了废弃物处理的开支。当磨料又加入到上述体系中用作磨料喷流切割时，所产生的问题和开支增加又更大些。用于磨料喷流切割操作的喷嘴在结构上更为复杂，它需要辅助设备向水流添加磨料，该辅助设备一般紧靠喷嘴装置或者是其一部分。该喷嘴装置包括一个将磨料引入液体介质的混合室、一个加速水流用的聚焦管、以及一个喷嘴口，水流经过该喷嘴口集束成为一股连续的喷流，射在工作上。混合室和其相关的硬件是比较复杂的，这是因为需要将磨粒注入到速度相当高的水流中。混合室须能将磨粒尽量地引入水流的内部，以尽量降低对混合室的内壁和喷嘴口的内壁的磨损。因为磨粒和液体这两种组分的密度差别很大，在喷嘴装置前面就进行组分预混合一般是不可能的，因为磨粒会分离出来，并以显著的速度沉降，即使液体经过了增稠也难以避免。而进一步的增稠措施对于这种体系来说，是成本上不合算的。磨粒在水流中的均匀分散事实上难以做到，并且也不能持久，这主要是因为物质密度的差异大，进入时颗粒的速度和快速水流的速度差别又大，因而需要由水流来使磨粒加速的缘故。磨粒混入液体介质往往是不完全，也不是始终一致的，对磨粒加速的需要使得介质流的速度减慢，而混合不完全引起的不一致性和不均匀性会使水流发散，水流或其组分在离开喷嘴口时的运行轨迹不一致，这些情况都会使得工件上产生的切口位置有差异或者还会加宽，切口侧壁的位置不精确，其表面也不均匀。混合过程使磨粒对喷嘴装置的内部产生很大的磨损速率，其结果是喷嘴装置的使用寿命，若条件良好，是以小时计，若条件不良，只有几分钟。例如，喷嘴与聚焦管的对准是相当要紧的。颗粒夹带进入喷流，也使得喷流发散，结果其集中程度变差，导致切口变宽，切割操作既多费时又多耗能量。当在其中添加磨粒的喷流是经过充分增稠的活，则切变降解使得重新使用介质不可能，而这笔成本是不算小的，这是因为要使通常采用的磨粒良好地悬浮，需用相当多数量的聚合物来达到充分地增稠。水喷流的喷嘴口尺寸一般约为0.25mm(约0.010吋)，若加入磨粒，则可实用的混合管最小尺寸需为喷嘴口直径的大约三倍，即约0.75mm(约0.030吋)乃至更大些。若喷嘴口太小，由于操作时的过度磨损，其使用寿命太短。但若喷嘴口太大，则喷流和产生的切口也太宽，则单位切割所消耗的介质和磨料量也增多。Holinger等人的“采用低压集中的磨料悬浮喷流进行精密切割”(5th American Water Jet Conference，Toronto，Canada，Au-gust29-31，1989)报导了磨料在甲基纤维素以及一种专利增稠剂“Super Warer”(Berkely Chemical CO.的商品名)的水溶液中改进的悬浮液。他们工作的基础是采用1.5-2％(重量)的增稠剂来达到足够高的粘度，从而有可能将磨粒与聚合物溶液进行预先混合，这样就无需在喷嘴处注入磨粒了。Hollonger等人的该文指出，用此方法可以有效地采用细达0.254mm(0.01吋)的喷嘴孔。Holinger等人的这项工作以后体现在于1990年8月29日提出申请而于1993年2月9日批准授权的美国专利5,184,434中，所采用的聚合物的交联在此专利中则未予考虑。还可参见Howells，“1974年至1989年的用Super Water进行聚合物喷砂处理述评”(International J.Water Jet Technol.，Vol.1，No.1，March，1990，16pp.)。Howells在该文中详述了为什么加有聚合物的喷流液体介质，无论有否磨料，不能够循环再用的道理，可参见其第8-9页。在许多情况下，现有技术上采用的水或以水为基的介质对于某些材料或特定的工件不可使用，因为不容许有水的存在或水所引起的腐蚀。对这些情况，喷流切割是不曾使用的。在现有技术所用的用聚合物增稠的液体体系中，由于该体系在使用中很高剪切速率引起了聚合物链的降解，迄今为止这个现象就排除了回收和再用喷流介质的有效方法，结果需要进行大量废弃物的处理，也因聚合物和磨料的消耗引起相当大的费用增加。专利技术目的与概述本专利技术的一个目的是提供一种能克服现有技术遇到的上述问题的喷流切割和加工用的介质。具体言之，本专利技术的一个目的是提供用聚合物增稠的喷流预混合介质，该介质能有效地悬浮磨粒，能形成集中而稳定的喷流，其切割效率高并且形成狭窄的切口，而且该介质可以回收，因而减少了废弃物处理的需要并降低了原料成本。本专利技术的又一目的是以比现有技术所需要的较低压力和较小流量来使用喷流切割。本专利技术的另一目的是使得有可能采用直径比现有技术小的喷嘴孔来进行磨粒喷流切割和磨整。本专利技术的还一个目的是使得有可能采用一种简化的喷嘴进行磨料喷流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：L·J·罗兹，
申请(专利权)人：挤压磨石有限公司，
类型：发明
国别省市：