一种超高压水射流铣削水刀头及其铣削工艺

摘要

本发明公开一种超高压水射流铣削水刀头及其铣削工艺，包括用于高压进水的超高压管、超高压管形成的高压腔、在高压腔末端连通使高压水进入的水喷头总成，所述水喷头总成包括与高压腔末端对接的水喷嘴体、通过水喷嘴和密封圈与水喷嘴体连为一体的铣刀头体，铣刀头体中心开设有喷砂管；铣刀头体侧连有通向喷砂管的引射磨料通道，在水喷嘴与喷砂管之间形成有磨料混砂腔，且磨料混砂腔与喷砂管、水喷嘴的中心线重合从而连为贯通的一体；所述喷砂管末端还通过连接螺母串连有扇形射流喷嘴，磨料射流经扇形射流喷嘴喷出形成具有铣削宽度的扁平射流；引射磨料通道对侧还增设有压射通道。本发明还公开了其铣削工艺，可形成趋于一致的铣削底平面而无需再加工，具有广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于超高压水射流技术领域，具体涉及一种超高压水射流铣削水刀头及其 铣削工艺。

背景技术

超高压水射流切割金属与非金属材料的技术与设备已成熟应用。然而，机械加工 的常规工艺之一是铣削，即将材料不切透且形成一定宽度的槽口。尽管机械刀具加工是铣 削的最有效手段。然而，有些材料不适合采用机械刀具铣削，如超硬复合材料碳陶，其硬度 为HRC70，而当硬度达到HRC55以上刀具铣削就已经不适应，极易损坏刀具，且材料因切削刀 具而极易分层破坏。再如脆性材料，如玻璃、陶瓷、WC等，刀具的冲击作用很容易造成断裂。 对于超硬和脆性材料，往往都采用成型工艺后不再加工，这在很多应用中又是无奈之举，从 而应用超高压水射流技术实现铣削工艺具有较大的应用前景，另外，水射流铣削也是对水 切割的一种重要补充。当两者相结合时，就能对金属和非金属板材创造出非常有用的图案、 机理。在水射流铣削工艺基础上采用五轴联动刀头动作，则可以实现对任意平台、曲面的铣 削加工。

显然，由于铣削宽度的影响，铣削工艺比切割工艺难度更大，因而压力和流量的参 数应高于切割工艺，工况参数的提高对超高压增压器、缓冲器、管路、安全阀等关键零部件 的影响并不大。如果没有铣削宽度的特殊要求而采用水切割刀头铣削的话，切缝太窄，铣削 和切割的区别仅仅是“切透”与“切不透”的区别；若要取得必需的铣削宽度则必须以切割刀 头若干次横向进给，这样所形成的铣削底面将不再是一个平面，而且很难二次加工。因此， 研究一种能形成趋于一致的铣削底平面而无需再加工的超高压水射流铣削水刀头非常重 要。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种形成具有铣削宽度的扁平射流的超高压水射流 铣削水刀头及其铣削工艺。

为实现上述目的之一提供一种超高压水射流铣削水刀头，本发明采用了以下技术 方案：

一种超高压水射流铣削水刀头，包括用于高压进水的超高压管、超高压管形成的 高压腔、在高压腔末端连通的水喷头总成，所述水喷头总成包括与高压腔末端对接的水喷 嘴体、通过水喷嘴和密封圈与水喷嘴体连为一体的铣刀头体，铣刀头体中心开设有喷砂管； 所述铣刀头体侧连有通向喷砂管的引射磨料通道，在水喷嘴与喷砂管之间形成有磨料混砂 腔，且磨料混砂腔与喷砂管、水喷嘴的中心线相重合从而彼此贯通为一体；所述喷砂管末端 还串连有扇形射流喷嘴，磨料射流经扇形射流喷嘴喷出形成具有铣削宽度的扁平射流。

优选的，在以超高压射流形成真空引射的引射磨料通道对侧增设有通过压缩空气 的强制压射作用迫使磨料混砂腔与喷砂管的水与磨料喷射出去的压射通道。

优选的，所述密封圈配合水喷嘴构成端面静密封及径向三角密封，所述水喷嘴上 的喷口直径小于高压腔和磨料混砂腔的腔内直径的最小值。

进一步的，所述引射磨料通道与压射通道互相贯通；所述引射磨料通道与压射通 道在铣刀头体的两侧对称设置，且引射磨料通道、压射通道二者与铣刀头体的中心线均呈 30～60度倾斜布置；所述引射磨料通道与压射通道的中心线共同交于铣刀头体的中心线 上。

优选的，所述压射通道以0.3～0.7MPa的压缩空气对引射磨料通道构成持续引射 工况。

进一步的，所述喷砂管的顶部与引射磨料通道、压射通道的底部均相连，且喷砂管 的顶部开口设置为便于与引射磨料通道、压射通道的内腔相顺接的由上至下开口直径减缩 的缩口。

优选的，所述扇形射流喷嘴通过连接螺母固定在喷砂管末端；且扇形射流喷嘴与 喷砂管沿中心线对接；所述扇形射流喷嘴的喷口在与扇形射流喷嘴轴线相垂直的平面上的 投影呈扁圆状。

优选的，所述扇形射流喷嘴的射流口处设有与其圆柱形喷腔相贯的相贯槽而形成 喷口；所述扇形射流喷嘴喷腔与相贯槽位置的彼此配合使的铣刀头体分别形成多种不同角 度的扇形射流，即通过扇形射流喷嘴喷腔与相贯槽不同位置的设置配合形成具有多种铣削 宽度的扁平射流。

优选的，所述扇形射流喷嘴材质为碳化钨耐磨材料。

本发明的目的之二是提供一种利用上述超高压水射流铣削水刀头进行的铣削工 艺，具体有如下步骤：

S1、使超高压管中的进水压力保持在300～450MPa，流量达到3L/min；

S2、向引射磨料通道中通入80～120目的石榴石作为磨料，同时向压射通道强制压 射通入0.3～0.7MPa压力的压缩空气，阻止水射流启停时的回水现象的产生，迫使混合腔内 磨料水混合液仅会从喷砂管路喷出；

S3、控制铣削过程的靶距为5～50mm，在该范围靶距下自扇形射流喷嘴中射出的扇 形射流宽度约在4～55mm之间；

S4、通过五轴联动机床保持铣刀头体在X、Y、Z轴和A、C旋转轴联动的基础上实现其 在任意工件面的铣削加工，控制程序在射流宽度方向信号的反馈要求下，保证射流宽度方 向始终垂直于刀头运行方向，即刀头的运行方向与所述喷口的长轴始终保持垂直关系，实 现等边铣削，调节所述扇形射流喷嘴横移速度为0.2m/min～15m/min，最终调节材料的铣削 量。

本发明的有益效果在于：

1)、首先，本发明中的超高压管在工作时喷出超高压水射流，所述超高压水射流在 磨料混砂腔中因高速射流而形成真空，从而磨料从磨料罐中流下，磨料并自旁路设置的引 射磨料通道进入磨料混砂腔与超高压水射流混合。为了强化真空引射磨料和混合作用，与 所述引射磨料通道对置另一具有0.3～0.7MPa压力的气管路作为压射通道。所述压射通道 的作用在于，当开关阀频繁开关时因水锤现象容易在引射磨料通道造成回水现象，从而湿 化磨料堵塞引射磨料通道，而由压射通道通入的压缩空气强制压射会在全过程阻止这种回 水现象的产生，迫使磨料混砂腔中的磨料水射流无论在什么时刻都将只能从喷砂管路喷 出。

2)、其次，用一个连接螺母将一只特殊的扇形射流喷嘴连接在喷砂管末端，磨料射 流经扇形射流喷嘴喷出便形成具有铣削宽度的扁平射流，从而达到“水射流铣刀”的效果， 本发明扇形射流喷嘴的设计能形成趋于一致的铣削底平面而无需再加工。如果没有铣削宽 度的特殊要求而采用水切割刀头铣削的话，切缝太窄，若要取得必需的铣削宽度则必须以 切割刀头若干次横向进给，这样所形成的铣削底面将不再是一个均匀平面，而且很难二次 加工，也就不能称之为“铣削”。由于本发明中的扁平射流具有一定的铣削宽度，因此本发明 对于不适宜用机械刀具加工的超硬和脆性材料，具有较大的应用前景。

3)、试验显示，铣削过程的最佳靶距为5～50mm，将此作为一个定值。在这一定值下 的扇形射流喷嘴所形成的射流宽度约在4～55mm之间，也很符合铣削工艺的要求。在扇形射 流喷嘴选定、射流工况和靶距确定的前提下，铣削的一次性深度取决于喷嘴横移速度，因 此，材料铣削量的控制要素只限于调节喷嘴横移速度。对不同的材料、不同的加工目标值， 以经验给出这一速度值，然后由运行程序予以稳定和调节即可实现超高压水射流铣削加 工，运行简单可靠；在水射流铣削工艺基础上采用五轴联动刀头动作，则可以实现对任意平 台、曲面的铣削加工，比如加工法兰连接面、键槽、凸台等，实用性强。

附图说明

图1为本发明的结构简示图。

图2为本发明水喷头总成的结构示意图。

图3为水喷头总成中的局部放大图。

图4、6为扇形射流喷嘴与连接螺母的连接结构示意图。

图5为图4、6的仰视图。

图7为扇形射流喷嘴所喷出的具有铣削宽度的扁平射流的示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-超高压管10-高压腔

2-水喷头总成20-连接螺母21-水水喷嘴体22-水喷嘴

23-密封圈24-磨料混砂腔25-引射磨料通道26-铣刀头体

27-压射通道28-喷砂管281-缩口

29-扇形射流喷嘴291-喷腔292-喷口293-相贯槽

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描 述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，为一种超高压水射流铣削水刀头，包括用于高压进水的超高压管1、 超高压管形成的高压腔10、在高压腔10末端连通的水喷头总成2，所述水喷头总成2包括与 高压腔10末端对接的水喷嘴体21、通过水喷嘴22和密封圈23与水喷嘴体21连为一体的铣刀 头体26，铣刀头体26中心开设有喷砂管28；所述铣刀头体26侧连有通向喷砂管28的引射磨 料通道25，在水喷嘴22与喷砂管28之间形成有磨料混砂腔24，且磨料混砂腔24与喷砂管28、 水喷嘴22的中心线相重合从而彼此贯通为一体；所述喷砂管28末端还串连有扇形射流喷嘴 29，磨料射流经扇形射流喷嘴29喷出形成具有铣削宽度的扁平射流。

如图2、3所示，所述密封圈23配合水喷嘴22构成端面静密封及径向三角密封，所述 水喷嘴22上的喷口直径小于高压腔10和磨料混砂腔24的腔内直径的最小值。即喷嘴22上的 喷口直径远远小于高压腔10(高压腔10的内腔直径与水喷嘴体21的内腔直径相同)的内腔 直径和磨料混砂腔24的内腔直径，从而便于形成超高压水射流。

如图1～3所示，在以超高压射流形成真空引射的引射磨料通道25对侧增设有通过 压缩空气的强制压射作用迫使磨料混砂腔24与喷砂管28中的水与磨料喷射出去的压射通 道27。所述压射通道27以0.3～0.7MPa的压缩空气对引射磨料通道25构成持续引射工况。

如图2、3所示，所述引射磨料通道25与压射通道27互相贯通；所述引射磨料通道25 与压射通道27在铣刀头体26的两侧对称设置，且引射磨料通道25、压射通道27二者与铣刀 头体26的中心线均呈30～60度倾斜布置；所述引射磨料通道25与压射通道27的中心线共同 交于铣刀头体26的中心线上。

如图3所示，所述喷砂管28的顶部与引射磨料通道25、压射通道27的底部均相连， 且喷砂管28的顶部开口设置为由上至下开口直径减缩的缩口281状，也即缩口281的内表面 呈自上而下逐渐向喷砂管内腔倾斜的坡面状，这种设计便于喷砂管28的顶部开口与引射磨 料通道25、压射通道27的内腔相顺接。

如图4、6所示，所述扇形射流喷嘴29通过连接螺母20固定在喷砂管28末端；且扇形 射流喷嘴29与喷砂管28沿中心线对接；所述扇形射流喷嘴29的喷口292在与扇形射流喷嘴 29轴线相垂直的平面上的投影呈扁圆状。

具体的，如图4、5所示，所述扇形射流喷嘴29的射流口处设有与其圆柱形喷腔291 相贯的相贯槽293而形成喷口292，所述相贯槽293的截面形状可以为圆柱孔或三棱柱孔或 锥形孔，图4、5中所示相贯槽293的截面形状为三棱柱孔；所述扇形射流喷嘴29喷腔与相贯 槽291位置的彼此配合使的铣刀头体26分别形成多种不同角度的扇形射流，即通过扇形射 流喷嘴29喷腔与相贯槽291不同位置的设置配合形成具有多种铣削宽度的扁平射流。

如图7中所示，扇形射流喷嘴29的喷口292根据圆柱形喷腔291与相贯槽293的形状 及相贯的深度等几何要素进行调试，互相配合分别形成15°、30°、45°、60°等角度的扇形射 流，也即扇形射流喷嘴29形成多种不同铣削宽度的扁平射流。经过多组试验，结果如下表1 所示，得出扇形射流在一定靶距H下的射流宽度与射流角度有以下近似关系：

表1扇形射流喷嘴特性

试验显示，铣削过程的最佳靶距为5～50mm，将此作为一个定值。在这一定值下的 扇形射流喷嘴射流宽度在4～55mm之间，也很符合铣削工艺的要求。

其中，喷砂管28的内直径一般在0.8～1.2mm，扇形射流喷嘴29内直径与之相适应， 即在1.0～2.0mm。扇形射流喷嘴29材质为耐磨材料，以碳化钨WC等为宜。

下面结合附图，进一步说明利用上述超高压水射流铣削水刀头进行的铣削工艺， 具体包括如下步骤：

S1、使超高压管1中的进水压力保持在300～450MPa、流量达到约3L/min；

S2、向引射磨料通道25中通入80～120目的石榴石作为磨料，同时向压射通道27强 制压射通入0.3～0.7MPa压力的压缩空气，阻止水射流启停时的回水现象的产生，迫使磨料 水射流仅会从喷砂管路28喷出；

S3、控制铣削过程的靶距H为5～50mm，在该范围靶距下自扇形射流喷嘴29中射出 的扇形射流宽度在4～55mm之间；

S4、通过五轴联动机床保持铣刀头体26在X、Y、Z轴和A、C旋转轴联动的基础上实现 其在任意工件面的铣削加工，控制程序在射流宽度方向信号的反馈要求下，保证射流宽度 始终垂直于刀头运行方向，即刀头的运行方向与喷嘴喷口长轴始终保持垂直关系，实现等 边铣削；调节喷嘴横移速度为0.2m/min～15m/min，最终调节材料的铣削量。