УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ВОДЯНОЙ СТРУИ В СИСТЕМЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ВОДЯНОЙ СТРУИ
DEVICE AND METHOD FOR LEVELING WATER JET IN CUTTING SYSTEM BY WATER JET

Предлагаемое изобретение относится к устройству и способу выравнивания по одной линии в системе резания при помощи водяной струи.
Системы резания при помощи водяной струи обычно используются для резания материалов любого типа. Использование чистой воды может быть достаточным в том случае, когда подлежащие резанию материалы являются достаточно мягкими или тонкими, но для резания более твердых или более толстых материалов вода должна быть смешана с абразивным порошком для обеспечения более мощной струи.
Системы резания при помощи водяной струи, насыщенной абразивным материалом, содержат средство подачи воды под давлением, связанное с входом головки резания, которая обычно содержит трубку визирования, предназначенную для подведения воды под давлением вплоть до сопла формирования водяной струи, которое размещается на выходе этой трубки визирования и которое открывается в камеру смешивания, куда абразивный порошок вводится при помощи всасывания. Водяная струя, насыщенная абразивным порошком и выходящая из камеры смешивания, проходит затем через цилиндрический канал фокусирующей пушки. Задний по потоку конец трубки визирования, сопло формирования водяной струи и передний по потоку конец фокусирующей пушки удерживаются в корпусе, в котором дополнительно сформирована камера смешивания.
Для обеспечения эффективного и качественного резания, в том числе, для обработки деталей относительно большой толщины, такие системы резания должны обеспечивать стабильную во времени водяную струю, энергия которой является возможно более высокой.
Действительно, нестабильная или недостаточно мощная водяная струя может оказать негативное влияние на скорость и точность и может привести к снижению качества вырезанных таким образом деталей.
При этом в таких системах на энергию и стабильность водяной струи существенное влияние может оказывать качество выравнивания оси сопла формирования водяной струи с осью пушки фокусирования, в частности, потому, что нарушение упомянутого выравнивания может привести к значительным потерям напора в пушке фокусирования и может вызвать разбиение или дисперсию струи.
Качество выравнивания сопла формирования водяной струи с пушкой фокусирования также может негативным образом повлиять на продолжительность срока службы пушки, поскольку ненадлежащее выравнивание может вызвать преждевременный износ пушки вследствие более резких столкновений струи с внутренней стенкой этой пушки.
Хорошее выравнивание оси сопла формирования водяной струи с осью фокусирующей пушки зависит, главным образом, от качества соблюдения размерных параметров деталей, образующих головку резания, в частности, сопла, пушки и корпуса головки, но зависит также и от качества монтажа сопла в его ложементе, причем монтаж обычно сводится к прижатию под высоким давлением сопла к его ложементу. Качество такого монтажа может быть по существу сведено на нет в результате присутствия нежелательных элементов, таких, например, как зерна абразивного порошка, которые могут оказаться расположенными между соплом и стенками, к поверхности которых прижимается сопло.
Однако в настоящее время не существует никаких средств для выравнивания оси сопла формирования водяной струи с осью пушки фокусирования, если не считать выполнения хронометрированного сверления отверстий для оценки энергии абразивной водяной струи, что является длительным и недостаточно эффективным контролем.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является устройство для выравнивания водяной струи в системе резания при помощи водяной струи, которое содержит средство подачи воды под давлением, сопло формирования водяной струи, открывающееся в камеру всасывания абразивного порошка, и фокусирующую пушку, установленную на выходе из этой камеры, причем пушка фокусирования содержит внутренний цилиндрический канал прохождения водяной струи, имеющий постоянный диаметр (US 5320289 А, В24С 1/04, 14.06.1994).
Техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить простое, экономичное и эффективное решение этой проблемы.
Объектом предлагаемого изобретения является устройство и способ, которые позволяют обеспечить выравнивание водяной струи и, следовательно, выравнивание оси сопла формирования водяной струи с осью пушки фокусирования, при использовании достаточно простых и относительно недорогих средств, которые можно использовать с высокой скоростью.
Для решения этой задачи предлагается устройство водяной струи в системе резания при помощи водяной струи, которая содержит средство подачи воды под давлением, сопло формирования водяной струи, открывающееся в камеру всасывания абразивного порошка, и фокусирующую пушку, установленную на выходе из камеры, причем фокусирующая пушка содержит внутренний цилиндрический канал прохождения водяной струи, имеющий постоянный диаметр, отличающееся тем, что устройство содержит средства позиционирования кольцевого элемента на выходе из пушки фокусирования, располагающегося на некотором расстоянии от выхода и на одной линии с осью пушки фокусирования, причем указанный кольцевой элемент имеет внутренний диаметр, равный диаметру внутреннего цилиндрического канала пушки фокусирования.
За счет такого местоположения и внутреннего диаметра указанный кольцевой элемент позволяет тестировать расположение на одной линии водяной струи на выходе из пушки фокусирования. Действительно, если водяная струя выровнена надлежащим образом, она должна проходить по центру упомянутого кольцевого элемента, не входя при этом в контакт с указанным элементом. И, наоборот, в случае неудовлетворительного выравнивания кольцевой элемент образует препятствие для по меньшей мере части водяной струи, которая, таким образом, будет разбрызгиваться в контакте с кольцевым элементом. Сам факт такого разбрызгивания, или, наоборот, отсутствия разбрызгивания, указывает, таким образом, на качество водяной струи и, следовательно, на качество выравнивания оси сопла формирования этой водяной струи с осью пушки фокусирования.
Предпочтительно, чтобы кольцевой элемент был сформирован на заднем по потоку конце трубчатого цилиндрического наконечника, закрепленного, например, путем навинчивания или плотного раструбного соединения, на заднем по потоку конце пушки фокусирования.
Таким образом, предполагается простое средство монтажа и удаления кольцевого элемента, встроенного в упомянутый трубчатый наконечник, обеспечивающее его надлежащее позиционирование, благодаря жесткости трубчатого наконечника.
Предпочтительно, чтобы трубчатый наконечник содержал внутренний цилиндрический канал прохождения водяной струи диаметром, превышающим диаметр внутреннего цилиндрического канала фокусирующей пушки, и оканчивался на своем заднем по потоку конце внутренним выступом, образующим упомянутый кольцевой элемент.
Такой диаметр канала наконечника позволяет не допустить того, чтобы указанный канал действовал в качестве продления пушки фокусирования и делал непригодным для использования кольцевой элемент, предназначенный для тестирования выравнивания водяной струи.
Предпочтительно также, чтобы упомянутый трубчатый наконечник содержал по меньшей мере одно окно, сформированное в его цилиндрической стенке в непосредственной близости от его заднего по потоку конца.
Такое окно позволяет повысить надежность выравнивания, обеспечивая боковой путь удаления для по меньшей мере части водяной струи в случае нарушения этого выравнивания.
Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением содержит также средства снижения давления подачи воды и средства снижения расхода питающей воды, служащие для выравнивания водяной струи.
Действительно, предпочтительным является существенное снижение расхода и давления питающей воды в процессе выравнивания водяной струи таким образом, чтобы получить тонкую и когерентную струю, то есть струю, по существу не имеющую расхождения, на выходе из фокусирующей пушки, что значительно облегчает контроль выравнивания, снижая, в частности, опасность ошибок наблюдения.
В данном изобретении также предлагается способ выравнивания струи в системе резания при помощи водяной струи, согласно которому закрепляют на выходе фокусирующей пушки цилиндрический трубчатый наконечник, содержащий на своем заднем по потоку конце кольцевой элемент, центрированный на оси этой пушки и имеющий внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру пушки; запитывают систему резания водяной струей уменьшенного давления и уменьшенным расходом воды, без введения абразивного порошка, для получения на выходе из пушки когерентной водяной струи, по существу не имеющей расхождения; регистрируют возможное разбрызгивание воды на упомянутом кольцевом элементе в случае дефекта выравнивания водяной струи.
В примере осуществления способа в соответствии с предлагаемым изобретением в случае, когда система резания запитывается водой под давлением, составляющим примерно 2500 бар, для выполнения резания и с расходом порядка 4,7 литра в минуту, уменьшают давление питающей воды до примерно 700 бар и уменьшают расход воды до примерно 0,22 литра в минуту для выравнивания струи.
Такие величины давления и расхода воды позволяют, в этом примере, получить на выходе из пушки достаточно тонкую и практически не расходящуюся водяную струю.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания, не являющегося ограничительным вариантом его осуществления, приводимого со ссылками на приведенные в приложении фигуры, в числе которых:
- Фиг.1 представляет собой схематический вид в осевом разрезе системы резания при помощи водяной струи, насыщенной частицами абразивного материала;
- Фиг.2 представляет собой схематический вид в осевом разрезе устройства в соответствии с предлагаемым изобретением в случае нарушения искомого выравнивания водяной струи;
- Фиг.3 представляет собой частичный схематический вид в осевом разрезе и в увеличенном масштабе примера реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением.
На фиг.1 изображена головка системы резания при помощи водяной струи с абразивным материалом, содержащая корпус 10, с установленным в нем задним по потоку концом трубки 12 визирования, которая содержит внутренний канал 14, и передний по потоку конец пушки 16 фокусирования, который установлен в корпусе 10 при помощи гайки 18 стягивания и который содержит внутренний канал 20, входная часть 32 которого имеет форму воронки. Корпус 10 содержит также боковой вход 22, снабженный присоединительным элементом 24, к которому подключается элемент 26 подачи абразивного порошка. Сопло 28 формирования водяной струи размещается в корпусе 10 на выходе из трубки 12 визирования и открывается в камеру 30 смешивания, которая сформирована в корпусе 10 и сообщается с входной частью 32 внутреннего канала 20 пушки 16 фокусирования и с боковым входом 22.
В процессе функционирования системы вода под давлением, показанная стрелкой 34, протекает через внутренний канал 14 трубки 12 визирования вплоть до встречи с соплом 28. Вода выходит из сопла в форме мощной струи, прохождение которой с большой скоростью через камеру смешивания вызывает всасывание, в результате эффекта Вентури, абразивного порошка, поток которого обозначен стрелкой 36. Смесь воды и абразивного порошка проходит затем через входную часть 32 внутреннего канала 20 пушки 16 фокусирования, где струя ускоряется вплоть до ее выбрасывания через выходную часть 38 пушки фокусирования.
Устройство выравнивания струи в соответствии с предлагаемым изобретением содержит (см. фиг.2) трубчатый наконечник 40, который устанавливается на заднюю по потоку часть фокусирующей пушки 16 системы резания, представленной на фиг.1, и который содержит внутренний цилиндрический канал 42, имеющий диаметр, превышающий диаметр внутреннего канала 20 этой пушки фокусирования. Внутренний кольцевой выступ 44 сформирован на заднем по потоку конце трубчатого наконечника 40 и ограничивает цилиндрическое выходное отверстие 48 внутреннего цилиндрического канала 42. Внутренний диаметр выходного отверстия 48 равен диаметру внутреннего канала 20 пушки 16 фокусирования. Кроме того, внутренние цилиндрические каналы 20 и 42, а также выходное цилиндрическое отверстие 48, располагаются на одной и той же оси. В то же время, трубчатый наконечник 40 содержит также отверстие или окно 46, сформированное в его цилиндрической стенке в непосредственной близости от его заднего по потоку конца, причем это отверстие открывается в канал 42 наконечника и имеет размеры, превышающие диаметр этого канала.
Принцип функционирования и использования предлагаемого устройства выравнивания состоит в следующем: перекрывают подачу абразивного порошка и снижают давление и расход питающей воды системы резания для того, чтобы получить достаточно тонкую и когерентную струю воды, то есть струю, представляющую по существу нулевое расхождение на выходе из пушки 16 фокусирования. Для уменьшения расхода воды можно достаточно простым образом пропустить некоторый объем питающей воды через канал, оборудованный клапаном контроля расхода, отрегулированным на требуемый расход, причем этот канал располагается в линии отведения на канале питания системы резания и связан с ним при помощи перекрывного клапана, функционирующего по принципу полного перекрытия, которым можно управлять, например, при помощи воздуха под давлением. Устанавливают наконечник 40 на пушку фокусирования так, как это показано на фиг.2, а затем запитывают систему резания уменьшенным расходом воды. Струя 54 воды при этом протекает через внутренний канал 20 пушки 16 фокусирования, а затем через внутренний канал 42 трубчатого наконечника 40 вплоть до его выходного отверстия 48.
При этом в случае выравнивание струи воды требуемым образом, струя проходит через выходное отверстие 48 без существенного разбрызгивания на кольцевом выступе 44.
Напротив, если требуемое выравнивание струи 54 воды не обеспечено, как показано на фиг.2, большая часть водяной струи неизбежно входит в контакт с кольцевым выступом 44, что приводит к разбрызгиванию воды 50 на уровне выходного отверстия 48 и через окно 46.
Если нарушение выравнивания водяной струи является существенным, может оказаться, что струя перестроится в результате повторяющихся соударений о стенку внутреннего канала 42 и в конечном счете соберется в струю, правильно выровненную на подходе к уровню выходного отверстия 48. Окно 46 позволяет выявить эту возможную ситуацию правильного выравнивания по признаку значительного выхода воды через это окно.
Выравнивание при помощи устройства в соответствии с предлагаемым изобретением состоит, таким образом, в регистрации возможного разбрызгивания воды 50 и 52, характеризующего нарушение надлежащего выравнивания.
В том случае, когда проведенный контроль выявил ненадлежащее выравнивание струи и, следовательно, ненадлежащее выравнивание оси сопла 28 формирования струи с осью пушки 16 фокусирования, можно демонтировать сопло 28 из системы и заменить его на новое сопло или, при наличии такой возможности, снова установить старое сопло после его очистки, если нарушение его правильного выравнивания было обусловлено наличием нежелательных элементов в ложементе этого сопла 28.
На фиг.3 схематически представлен пример реализации наконечника 40, предназначенного для взаимодействия с гайкой стягивания, не показанной на этой фигуре, которая навинчивается на резьбовую часть 56 наружной поверхности наконечника, располагающуюся в непосредственной близости от его переднего по потоку конца. Кроме внутреннего цилиндрического канала 42, кольцевого выступа 44 и окна 46, уже упомянутых выше, наконечник 40 содержит переднюю по потоку часть, снабженную осевой щелью 58, ограничивающей две по существу полуцилиндрические и симметричные зажимные губки 60.
Установка наконечника 40 на головку резания осуществляется путем вставления задней по потоку части пушки 16 фокусирования между двумя зажимными губками 60 и последующего навинчивания упомянутой гайки стягивания на часть 56 этого наконечника вплоть до получения достаточного стягивания пушки фокусирования при помощи губок 60 для того, чтобы обеспечить удовлетворительную устойчивость устройства на головке системы резания.
В общем случае трубчатый наконечник 40, показанный на фигурах 2 и 3, представляет собой пример средства, позволяющего позиционировать кольцевой элемент 44 на некотором расстоянии от пушки 16 фокусирования и по оси этой пушки. Другие средства также могут быть использованы для размещения кольцевого элемента на оси пушки 16, причем эти средства представляют технические эквиваленты средств, описанных выше.