РЕЖУЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОНАПОРНОЙ ЖИДКОСТНОЙ СТРУИ Российский патент 2001 года по МПК B05B1/02 

Изобретение относится к области станкостроения, в частности к гидравлическим машинам высокого давления, и может быть использовано, например, при конструировании рабочих головок гидрорезных устройств для получения малорасходящихся тонких режущих сверхзвуковых струй жидкости.

Известно сопло для получения режущей струи жидкости (см. а.с. N 1228915, опубл. 07.05.86, бюл. N 17, МПК⁶ B 05 B 1/02), содержащее штуцер со сферическим торцом и осевым каналом подачи жидкости, закрепленный на штуцере держатель, установленный заподлицо в держателе вкладыш с наружной конической поверхностью и выпускным соплом цилиндрической формы с конической входной частью, охватывающую вкладыш втулку, примыкающую своим торцом к сферическому торцу штуцера, расположенного с зазором относительно обращенного к нему торца вкладыша. Устройство снабжено установленным в выходной части канала штуцера завихрителем в виде конической сужающейся по ходу движения жидкости пружины, меньшее основание которой расположено за пределами канала штуцера на торце вкладыша. Внутренний диаметр меньшего основания выбран равным диаметру отверстия поперечного сечения входной части канала вкладыша на входном торце.

Недостатком известного устройства сопла для получения режущей струи жидкости является невозможность получения им устойчивой струи на выходе из сопла малого диаметра, формирующего сверхзвуковую режущую струю жидкости с повышенными свойствами (высоким удельным давлением на обрабатываемую поверхность).

Струя с повышенными режущими свойствами - это струя, покидающая сопло с минимальным углом ее раскрытия в свободном воздушном пространстве, при этом параметры, влияющие на угол раскрытия струи, множественны и основные из них следующие: уровень начальной турбулизированности потока жидкости, подводимой к соплу (чем он меньше, тем качественнее струя на выходе), геометрия и качество изготовления центрального канала сопла (обеспечивающие минимальную турбулизацию в потоке жидкости), уровень рабочего давления жидкости, от которого зависит скорость истечения струи (больше или меньше скорости звука, что существенно сказывается на внешней геометрии истекающей струи).

На сегодня не существует единого мнения относительно механизмов распада струй высокого и сверхвысокого давлений, а также не существует общей математической зависимости для определения длины начального цилиндрического участка струи, поэтому в каждом конкретном случае необходимо находить ее экспериментально.

В известном устройстве получить устойчивую в открытом воздушном пространстве струю возможно лишь для больших номинальных диаметров струи (по крайней мере больше одного миллиметра) и дозвуковых скоростей истечения жидкости (т. е. для рабочих давлений жидкости меньше 60 МПа), когда вклад качества (уровень шероховатости) поверхности центрального канала сопла и его геометрии в торможение приграничной части потока (в его поперечном сечении) и его турбулизацию в сравнении с полем скоростей основной осевой части потока не столь существенна. Для сверхзвуковых струй малого диаметра (35...100) мкм принудительная закрутка потока лишь распылит струю на выходе за счет инерционных сил и, тем самым, увеличит угол раскрытия струи в свободном воздушном пространстве, что, безусловно, отрицательно скажется на ее режущих свойствах. Известна режущая головка (а.с. N 597427, опубл. 15.03.78, бюл. N 10, МКП⁶ B 05 B 1/02) для получения высоконапорной струи, содержащая расположенные в корпусе держатель, а также установленные последовательно и соосно в контакте друг с другом сопло, деформируемый уплотнитель и вкладыш с выполненными в них центральными каналами, при этом канал уплотнителя выполнен переменного сечения. В канале уплотнителя расположен двухступенчатый вкладыш с коническим торцевым выступом. Между торцами держателя и вкладыша установлена регулировочная шайба. Вкладыш меньшим диаметром расположен в держателе, а большим - в корпусе.

Недостатком известного устройства режущей головки является наличие ступенчатых переходов между выходным торцом вкладыша и поверхностью центрального канала деформируемого уплотнителя с одной стороны, а также между торцевой поверхностью центрального выходного отверстия деформируемого уплотнителя и входным отверстием сопла в его торцевом сечении.

Наличие указанных конструктивных недостатков приводит к существенной турбулизации потока жидкости, подводимой к входному отверстию сопла, и, как следствие, к ухудшению режущих свойств выходящей струи жидкости (увеличению угла расходимости струи в свободном воздушном пространстве).

Задачей изобретения является повышение режущих свойств струи за счет уменьшения уровня турбулентности и кавитационных явлений в поперечном сечении потока жидкости, подводимой непосредственно к поперечному сечению входного отверстия сопла.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, характеризуется следующими параметрами режущей струи: при величине рабочего давления жидкости в 250 МПа и диаметре выходного отверстия сопла в 100 мкм угол расширения внешних границ струи не превышает шести градусов при длине цилиндрической части струи не менее 0,5 мм.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в известном устройстве режущей головки для получения высоконапорной жидкостной струи, содержащей расположенные в корпусе держатель, а также установленные последовательно и соосно в контакте друг с другом сопло, деформируемый уплотнитель и вкладыш с выполненными в них центральными каналами, при этом канал уплотнителя выполнен переменного сечения, согласно изобретению диаметры каналов сопла и уплотнителя в их контактирующих торцевых сечениях равны и много меньше длины канала уплотнителя, участок поверхности которого со стороны сопла выполнен в форме сопла Лаваля, диаметры проходных сечений каналов вкладыша и уплотнителя в зоне их сопряжения равны и не меньше диаметра входного отверстия участка канала уплотнителя, выполненного в форме сопла Лаваля.

Согласно изобретению деформируемый уплотнитель режущей головки выполнен из металла.

Выполнение диаметра входного отверстия канала сопла и выходного отверстия уплотнителя в их торцевых сечениях равными приводит к такому первичному техническому эффекту как исключение ступенчатости на стыке их беззазорно контактирующих торцов, а значит и к исключению дополнительной турбулизации потока жидкости на входе в сопло, что, в свою очередь, и уменьшает угол расширения внешних границ струи в свободном воздушном пространстве.

Выполнение диаметра выходного отверстия вкладыша не меньше диаметра входного отверстия участка канала уплотнителя, выполненного в форме сопла Лаваля, обеспечивает такой первичный технический эффект, как вынесение источников турбулентности потока жидкости (коническая кромка вкладыша в момент деформирования уплотнителя может сформировать из его материала кольцевой "наплыв") за пределы гладкого (в математическом смысле) участка поверхности центрального канала уплотнителя, что, в конечном итоге, и уменьшает угол расширения внешних границ тонкой сверхзвуковой струи в свободном воздушном пространстве.

Выполнение части длины участка поверхности центрального канала уплотнителя (имеющего форму сопла Лаваля) со стороны сопла режущей головки много большей диаметра входного отверстия канала сопла режущей головки в его торцевом сечении обеспечивает такой первичный технический эффект, как максимально возможную ламинаризацию потока жидкости, покидающего центральный канал вкладыша. Гладкий участок поверхности центрального канала уплотнителя, выполненный в форме сопла Лаваля, играет роль успокоителя потока жидкости, при этом длина его подбирается расчетно-экспериментальным методом в зависимости от номинальных величин диаметра входного отверстия сопла и рабочего давления жидкости, что, в конечном итоге, существенно уменьшает угол расширения внешних границ тонкой сверхзвуковой струи в свободном воздушном пространстве.

Однако выполнение длины гладкого (в математическом смысле) участка поверхности центрального канала уплотнителя много больше диаметра входного отверстия канала сопла в его торцевом сечении обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как дополнительное плавное уменьшение до минимальной расчетной величины проходного отверстия центрального канала уплотнителя, деформирующегося в процессе приложения осевой нагрузки к вкладышу в момент взаимного уплотнения сопла, деформируемого уплотнителя и вкладыша при сборке режущей головки.

Названный технический эффект обеспечивает окончательное формирование геометрии сопла Лаваля и местное увеличение скорости потока жидкости, что приводит к дополнительной сверхсуммарной ламинаризации потока тонкой струи жидкости за сечением центрального канала уплотнителя с наименьшим диаметром.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема режущей головки для получения высоконапорной жидкостной струи, где:
1 - корпус;
2 - держатель;
3 - сопло;
4 - деформируемый уплотнитель;
5 - двухступенчатый вкладыш;
6 - шайба регулировочная;
L - длина участка поверхности центрального канала уплотнителя, выполненная в форме сопла Лаваля.

Режущая головка содержит расположенные в корпусе 1 держатель 2, а также установленные последовательно и соосно в контакте друг с другом сопло 3, например, из сапфира (алмаза), деформируемый уплотнитель 4, например, из сплавов алюминия и двухступенчатый цилиндрический вкладыш 5, с выполненными в них центральными каналами, при этом канал уплотнителя 4 выполнен переменного сечения.

Длина L участка поверхности центрального канала уплотнителя 4, выполненная со стороны сопла 3 в форме сопла Лаваля, много больше диаметра входного отверстия канала сопла 3 в его торцевом сечении (чем больше диаметр входного отверстия канала сопла 3, тем больше вышеназванное отношение). Диаметры входного отверстия канала сопла 3 и выходного отверстия уплотнителя 4 в их торцевых сечениях равны, а диаметр выходного отверстия вкладыша 5 не меньше диаметра входного отверстия участка центрального канала уплотнителя 4, поверхность которого выполнена в форме сопла Лаваля. Двухступенчатый цилиндрический вкладыш 5 режущей головки снабжен коническим торцом, выполненным на его меньшем диаметре и контактирующим с входным коническим торцом уплотнителя 4, и регулировочной шайбой 6, установленной между торцами держателя 2 и вкладыша 5, причем вкладыш 5 меньшим диаметром расположен в держателе 2, а большим - в корпусе 1.

Устройство работает следующим образом.

При подаче в режущую головку рабочей жидкости под давлением со стороны вкладыша 5 за счет выполнения выходного отверстия вкладыша 5 не меньше диаметра входного отверстия участка центрального канала уплотнителя 4, поверхность которого выполнена в форме сопла Лаваля, струя жидкости вне зависимости от предыстории ее формирования дополнительно турбулизируется, как максимум, лишь в торцевом сечении выходного отверстия вкладыша 5 и в сечении входа потока жидкости в канал уплотнителя, поверхность которого выполнена в форме сопла Лаваля. Возможное появление наплыва металла уплотнителя 4 под острой кромкой конического торца вкладыша 5 при предварительном осевом деформировании уплотнителя 4 на расчетную величину за счет подбора толщины регулировочной шайбы 6 может стать причиной дополнительной турбулизации потока жидкости.

На длине L центрального канала уплотнителя 4, величина которой много больше диаметра входного отверстия сопла 3 в его торцевом сечении, поток жидкости высокого давления максимально успокаивается, то есть ламинаризируется до максимально возможного состояния как за счет оптимально подобранной экспериментально величины размера L, так и, дополнительно, за счет увеличения скорости потока жидкости в местном сужении центрального канала уплотнителя 4, окончательно сформировавшимся в процессе его осевого деформирования при сборке режущей головки. Это, в конечном итоге, и обеспечивает минимальный угол расходимости струи жидкости в открытом воздушном пространстве, так как строгое равенство диаметров входного отверстия канала сопла 3 и выходного отверстия уплотнителя 4 в их торцевых сечениях уменьшают до минимально возможного уровня турбулизацию потока жидкости.

Заявляемое устройство позволяет получать режущую сверхзвуковую струю жидкости с углом ее раскрытия в свободном воздушном пространстве не более шести градусов при длине цилиндрической части истекающей струи не менее 0,5 мм при давлении жидкости на входе в 250 МПа и диаметре выходного отверстия сопла в 100 мкм.

Изобретение может быть эффективно использовано при подмешивании в жидкость алмазной пыли определенного фракционного состава, например, для разделения различных драгоценных камней соплом с диаметром выходного отверстия (30. . . 60) мкм (за счет минимизирования толщин реза, обеспечиваемых уменьшенными углами расходимости границ струи жидкости в свободном воздушном пространстве).

Изобретение относится к гидравлическим машинам высокого давления для получения высоконапорных режущих сверхзвуковых струй жидкости с малым углом расширения их внешних границ в открытом воздушном пространстве. В режущей головке для получения высоконапорной жидкостной струи канал уплотнителя выполнен переменного сечения. Длина участка поверхности центрального канала уплотнителя, выполненная со стороны сопла в форме сопла Лаваля, много больше диаметра входного отверстия канала сопла в его торцевом сечении. Диаметры входного отверстия канала сопла и выходного отверстия канала уплотнителя в их торцевых сечениях равны, а диаметр выходного отверстия канала вкладыша не меньше диаметра входного отверстия участка канала уплотнителя, поверхность которого выполнена в форме сопла Лаваля. При этом двухступенчатый цилиндрический вкладыш режущей головки снабжен коническим торцом, выполненным на его меньшем диаметре и контактирующим с входным коническим торцом деформируемого уплотнителя, а между торцами держателя и вкладыша установлена регулировочная шайба, причем вкладыш с меньшим диаметром расположен в держателе, а большим - в корпусе. Деформируемый уплотнитель выполнен, например, из алюминиевого сплава. Технический результат: при давлении жидкости в 250 МПа и диаметре выходного отверстия сопла в 100 мкм режущая головка обеспечивает угол раскрытия внешних границ струи в свободном воздушном пространстве не более при длине цилиндрической части истекающей струи не менее 0,5 мм. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Режущая головка для получения высоконапорной жидкостной струи, содержащая расположенные в корпусе держатель, а также установленные последовательно и соосно в контакте друг с другом сопло, деформируемый уплотнитель и вкладыш с выполненными в них центральными каналами, при этом канал уплотнителя выполнен переменного сечения, отличающаяся тем, что диаметры каналов сопла и уплотнителя в их контактирующих торцевых сечениях равны и много меньше длины канала уплотнителя, участок поверхности которого со стороны сопла выполнен в форме сопла Лаваля, диаметры проходных сечений каналов вкладыша и уплотнителя в контактирующих торцевых сечениях равны и не меньше диаметра входного отверстия участка канала уплотнителя, выполненного в форме сопла Лаваля. 2. Режущая головка для получения высоконапорной жидкостной струи по п.1, отличающаяся тем, что деформируемый уплотнитель выполнен из металла.