Сопло из сверхтвердого материала для создания газоабразивной струи

Сопло из сверхтвердого материала для образования газоабразивной струи, имеет соединенные между собой входной и выходной каналы, выполненные в виде усеченных конусов, которые соединены меньшими основаниями с диаметром d. Диаметры оснований и высота усеченных конусов имеют следующие соотношения размеров, D ₁=2,97d D₂=1,35d, L ₁=3,65d, L₂=3,92d, где D ₁ - диаметр большего основания усеченного конуса входного канала, D₂ - диаметр большего основания усеченного конуса выходного канала, L₁ - высота усеченного конуса входного канала, L ₂ - высота усеченного конуса входного канала.

Полезная модель относится к приспособлениям для получения струй, в особенности к соплам для формирования струи из абразивных частиц, и может найти применение для получения отверстий в неметаллических материалах и резки неметаллических материалов.

Технологии обработки материалов струей, исходящей под большим давлением из сопла, применяются в различных областях.

В книге: Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине (учебное пособие) - Оренбург, ОГУ, 2000 (с.178-231) (см. сайт http://window.edu.ru/window_catalog/files/r19217/metod451.pdf) приведен обзор технологий гидрорезания конструкционных материалов и биологических тканей. Как здесь указано, гидрорезание металлов производится двумя способами, которые отличаются отсутствием (жидкостное) или наличием абразива в среде рабочей жидкости (абразивно-жидкостное). Конструктивные и технологические параметры сопла (форма, размер и качество поверхности отверстия) оказывают значительное влияние на строение и гидродинамические характеристики струи. При этом как при жидкостном, так и при абразивно-жидкостном резании через сопло подается жидкость, а абразив вводится в струю на выходе жидкости из сопла.

Считается, что тип сопла, имеющий конический профиль и оканчивающийся цилиндрическим участком, наиболее приемлем как с точки зрения рационального формирования струи рабочей жидкости, так и технологичности его изготовления. В патентах РФ №№1812735, 2104803, 2130809, 2167003, 2184620, 2184621 описаны сопла для получения режущей струи жидкости, выполненные из сверхтвердого материала - алмаза. Они имеют конусообразный входной и цилиндрический выходной каналы.

Широкое распространение имеют сопла для пескоструйной обработки. При пескоструйной обработке через сопло подается газоабразивная струя. Но если обычно наибольший диаметр сопла при гидро- или гидроабразивном резании материалов не превышает 0,3 мм, то диаметры сопел для пескоструйной обработки гораздо больше и,

соответственно, большой размер имеют и сами сопла (см., например, патент США №4253610). Поэтому они не могут изготавливаться из сверхтвердых материалов, в частности из поликристаллов алмаза и кубического нитрида бора, поскольку размер получаемых поликристаллов пока ограничен.

Однако из патента США №7172142 известно сопло из сверхтвердого материала, которым является поликристаллический алмаз, предназначенное для образования газоабразивной струи и выполненное с диаметрами каналов, соизмеримыми с диаметрами каналов сопел для жидкостного и абразивно-жидкостного резания материалов. Оно показано на фиг.106а и 106в. Сопло имеет соединенные между собой входной и выходной каналы, причем входной выполнен коноидальным, а выходной канал имеет цилиндрическую форму.

Хотя это сопло и предназначено для создания газоабразивной струи, форма его каналов больше подходит для сопел, предназначенных для гидрорезания материалов. Поэтому оно не может обеспечить максимальной скорости газоабразивной струи. Кроме того, получение входного канала коноидальной формы технологически достаточно сложно.

В основу изобретения поставлена задача разработать сопло из сверхтвердого материала для образования газоабразивной струи, обеспечивающее максимальную скорость газоабразивной струи на выходе сопла при определенном давлении газа на входе сопла, и одновременно технологически несложное в изготовлении.

В сопле из сверхтвердого материала для образования газоабразивной струи, имеющем соединенные между собой входной и выходной каналы, согласно изобретению каналы выполнены в виде усеченных конусов, которые соединены меньшими основаниями с диаметром d, причем диаметры оснований и высота усеченных конусов имеют следующие соотношения размеров, D₁ =2,97d, D₂=1,35d, L₁ =L₂=3,92d, где D₁ - диаметр большего основания конуса входного канала, D ₂ - диаметр большего основания конуса выходного канала, L₁ - высота усеченного конуса входного канала, L₂ - высота усеченного конуса выходного канала.

При указанных соотношениях диаметров оснований и высот усеченных конусов входного и выходного каналов достигается максимальная скорость струи на выходном отверстии, что обусловлено тем, что входной канал обеспечивает подачу абразивных частиц без образования «пробок» в наиболее узком месте входного канала, а выходной канал обеспечивает наибольший разгон струи. Естественно, возможны незначительные отклонения от указанных соотношений, которые существенно не влияют на достижение поставленной задачи.

Предпочтительно, чтобы к выпускному каналу примыкал конечный участок с углом конуса большим, чем угол конуса выходного канала. Это способствует уменьшению завихрений на выходе сопла, которые отрицательно влияют на газоабразивную струю.

С точки зрения технологии изготовления сопла предпочтительно, чтобы угол конуса конечного участка был таким же, как и угол конуса входного канала.

Материалом, из которого выполняется сопло, может быть поликристаллический материал на основе алмаза или кубического нитрида бора. Эти материалы получают спеканием при сверхвысоких давлениях и температурах порошков алмаза и кубического нитрида бора. Они приходят на замену ранее использовавшимся материалам: минералокерамике, корунду, сапфиру или твердым сплавам, ресурс сопел из которых весьма низок (несколько десятков минут) из-за высокого абразивного износа.

На фиг.1 показано сопло согласно изобретению, на фиг.2а-2в показан процесс изготовления сопла, на фиг.3 - сопло с держателем.

Сопло имеет входной канал 1 в виде конуса с диаметром меньшего основания d, диметром большего основания D₁ и высотой L₁, выходной канал 2 в виде конуса с меньшим основанием, общим с меньшим основанием конуса входного канала, диаметром большего основания D ₂ и высотой L₂. К выходному каналу 2 примыкает конечный участок 3. Примером конкретного выполнения сопла может быть сопло со следующими размерами: d=0,5 мм, D ₁=1,49 мм, D₂=0,68 мм, L ₁=1,83 мм, L₂=1,96 мм. Эти размеры обеспечивают угол конуса входного канала 30°, а угол конуса выходного канала 6°. У сопла, показанного на фиг.1, угол конуса конечного участка такой же, как угол конуса входного канала - 30°.

Пример изготовления показан для сопла с указанными размерами. Используют поликристаллический материал на основе алмаза или кубического нитрида бора в виде цилиндра диаметром около 5,5 мм и высотой около 4,5 мм. Торцевые стороны цилиндра шлифуют и полируют, получая цилиндр высотой, соответствующей высоте сопла.

После этого в цилиндре с помощью лазерного луча 4 вырезают каналы. Для этого сначала цилиндр устанавливают на стол лазерной установки, наклоненный под углом 3°, и вращают стол вокруг оси, вырезая в цилиндре сквозное отверстие, угол конуса которого соответствует углу конуса выходного канала (фиг.2а). После этого стол наклоняют на угол 15° и формируют входной канал (фиг.2б). Одновременно происходит формирование конуса конечного участка. Завершающей операцией является вырезка сопла по наружной поверхности, которую осуществляют снова при наклоне стола на 3° (фиг.2в).

Подобным образом в цилиндре вырезают несколько сопел.

Полученное сопло может быть снабжено держателем любой конструкции. В качестве держателя может быть использована металлическая трубка 5 (фиг.3) с внутренним диаметром, равным диаметру большего основания сопла. На внутреннюю поверхность конца трубки наносят клей, вставляют сопло и обжимают трубку по внешней поверхности сопла.

Работает сопло следующим образом.

В качестве абразивных частиц используют частицы, диаметр которых составляет 1/4-1/5 диаметра d. Газ, например углекислый газ, со взвешенными частицами подают во входной канал 1 сопла под давлением 0,6-1,2 МПа. В выходном канале 2 частицы разгоняются до сверхзвуковой скорости и, соударяясь с обрабатываемым материалом, разрушают его, образуя в нем углубление.

Для повышения эффективности разрушения обрабатываемого материала в трубке непосредственно перед соплом может быть расположена скрученная по крайней мере на четверть витка относительно оси трубки пластина 6 (фиг.3). Ее геометрические размеры и конфигурация определяются в зависимости от характеристики струи и заданным режимом работы. Некоторая часть абразивных частиц, соприкасаясь с винтообразной поверхностью пластины, приобретает вращательное движение и, проходя через сопло, сохраняет его, получив большую скорость. При контакте с обрабатываемым материалом они разрушают его и отходят от центра по касательной, давая новым частицам приток. Вместе с тем они обеспечивают вращение отходящего из углубления потока абразивних частиц и частиц разрушенного обрабатываемого материала, что облегчает вывод его из углубления.

1. Сопло из сверхтвердого материала для образования газоабразивной струи, имеющее соединенные между собой входной и выходной каналы, отличающееся тем, что каналы выполнены в виде усеченных конусов, которые соединены меньшими основаниями с диаметром d, причем диаметры оснований и высота усеченных конусов имеют следующие соотношения размеров, D₁=2,97d, D ₂=1,35d, L₁=3,65d, L ₂=3,92d, где D₁ - диаметр большего основания усеченного конуса входного канала, D ₂ - диаметр большего основания усеченного конуса выходного канала, L₁ - высота усеченного конуса входного канала, L₂ - высота усеченного конуса входного канала.

2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что к выходному каналу примыкает конусообразный конечный участок с углом конуса, большим, чем угол конуса выходного канала.

3. Сопло по п.2, отличающееся тем, что угол конуса конечного участка такой же, как угол конуса входного канала.

4. Сопло по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что оно выполнено из поликристаллического материала на основе алмаза или кубического нитрида бора.

5. Сопло по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено держателем в виде металлической трубки, конец которой охватывает его по внешней поверхности.

6. Сопло по п.5, отличающееся тем, что в металлической трубке перед входным каналом расположена скрученная по крайней мере на четверть витка относительно оси трубки пластина.