Сопло з надтвердого матеріалу для створення газоабразивного струменя

Корисна модель належить до пристосувань для одержання струменів, особливо до сопел для формування струменя з абразивних часток, і може знайти застосування для одержання отворів у неметалічних матеріалах і різання неметалічних матеріалів. Технології обробки матеріалів струменем, що виходить під великим тиском із сопла, застосовуються в різних областях. У книзі: 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) [див. сайт http://window.edu.ru/window_catalog/fues/rl9217/metod451.pdf] наведено огляд технологій гідрорізання конструкційних матеріалів і біологічних тканин. Як тут зазначено, гідрорізання металів виконується двома способами, які відрізняються відсутністю (рідинне) або наявністю абразиву в середовищі робочої рідини (абразивно-рідинне). Конструктивні й технологічні параметри сопла (форма, розмір і якість поверхні отвору) значно впливають на будову й гідродинамічні характеристики струменя. При цьому як при рідинному, так і при абразивно-рідинному різанні через сопло подається рідина, а абразив уводиться в струмінь на виході рідини із сопла. Вважається, що тип сопла, що має конічний профіль і закінчується циліндричною ділянкою, найбільш прийнятний як з погляду раціонального формування струменя робочої рідини, так і технологічності його виготовлення. У патентах РФ №№1812735, 2104803, 2130809, 2167003, 2184620, 2184621 описані сопла для одержання ріжучого струменя рідини, виконані з надтвердого матеріалу - алмаза. Вони мають конусоподібний вхідний і циліндричний вихідний канали. Широке поширення мають сопла для піскоструминної обробки. При піскоструминній обробці через сопло подається газоабразивнаий струмінь. Але якщо зазвичай найбільший діаметр сопла при гідро- або гідроабразивному різанні матеріалів не перевищує 0,3мм, то діаметри сопел для піскоструминної обробки набагато більші й, відповідно, великий розмір мають і самі сопла (див., наприклад, патент США №4253610). Тому вони не можуть виготовлятися з надтвердих матеріалів, зокрема з полікристалів алмаза й кубічного нітриду бору, оскільки розмір одержуваних полікристалів поки що обмежений. Однак з патенту США №7172142 відоме сопло з надтвердого матеріалу, яким є полікристалічний алмаз, призначене для утворення газоабразивного струменя й виконане з діаметрами каналів, порівнянними з діаметрами каналів сопел для рідинного й абразивно-рідинного різання матеріалів. Воно показано на фіг. 106а й 106в. Сопло має з'єднані між собою вхідний і вихідний канали, причому вхідний виконаний коноїдальньїм, а вихідний канал має циліндричну форму. Хоча це сопло й призначене для створення газоабразивного струменя, форма його каналів більше підходить для сопел, призначених для гідрорізання матеріалів. Тому воно не може забезпечити максимальної швидкості газоабразивного струменя. Крім того, одержання вхідного каналу коноїдальної форми технологічно досить складне. В основу корисної моделі поставлене завдання розробити сопло з надтвердого матеріалу для утворення газоабразивного струменя, яке забезпечує максимальну швидкість газоабразивного струменя на виході сопла при певному тиску газу на вході сопла, і одночасно технологічно нескладне у виготовленні. У соплі з надтвердого матеріалу для утворення газоабразивного струменя, що має з'єднані між собою вхідний і вихідний канали, відповідно до корисної моделі канали виконані у вигляді усічених конусів, які з'єднані меншими основами з діаметром d, причому діаметри основ і висота усічених конусів мають такі співвідношення розмірів: D1=2,97d, D2=l,35d, L1=3,65d, L2=3,92d, де D1 - діаметр більшої основи конуса вхідного каналу, D2 - діаметр більшої основи конуса вихідного каналу, L1 - висота усіченого конуса вхідного каналу, L2 - висота усіченого конуса вихідного каналу. При зазначених співвідношеннях діаметрів основ і висот усічених конусів вхідного й вихідного каналів досягається максимальна швидкість струменя на вихідному отворі, що обумовлено тим, що вхідний канал забезпечує подачу абразивних часток без утворення «пробок» у найбільш вузькому місці вхідного каналу, а вихідний канал забезпечує найбільший розгін струменя. Звісно, можливі незначні відхилення від зазначених співвідношень, які істотно не впливають на досягнення поставленого завдання. Краще, щоб до випускного каналу примикала кінцева ділянка з кутом конуса більшим, ніж кут конуса вихідного каналу. Це сприяє зменшенню завихрень на виході сопла, які негативно впливають на газоабразивний струмінь. З погляду технології виготовлення сопла краще, щоб кут конуса кінцевої ділянки був таким же, як і кут конуса вхідного каналу. Матеріалом, з якого виконується сопло, може бути полікристалічний матеріал на основі алмаза або кубічного нітриду бору. Ці матеріали одержують спіканням при надвисоких тисках і температурах порошків алмаза й кубічного нітриду бору. Вони приходять на заміну матеріалам, що використовувалися раніше: мінералокераміці, корунду, сапфіру або твердим сплавам, ресурс сопел з яких досить низький (кілька десятків хвилин) через високе абразивне зношування. На фіг. 1 показане сопло відповідно до корисної моделі, на фіг. 2-4 показаний процес виготовлення сопла, на фіг. 3 - сопло з тримачем. Сопло має вхідний канал 1 у вигляді конуса з діаметром меншої основи d, діаметром більшої основи D1 і висотою L1, вихідний канал 2 у вигляді конуса з меншою основою, спільною з меншою основою конуса вхідного каналу, діаметром більшої основи D2 і висотою L2. До вихідного каналу 2 примикає кінцева ділянка 3. Прикладом конкретного виконання сопла може бути сопло з такими розмірами: d=0,5мм, D1=l,49мм, D2=0,68мм, L1=1,83мм, L2=1,96мм. Ці розміри забезпечують кут конуса вхідного каналу 30°, а кут конуса вихідного каналу 6°. У сопла, показаного на фіг. 1, кут конуса кінцевої ділянки такий же, як кут конуса вхідного каналу - 30°. Приклад виготовлення показаний для сопла із зазначеними розмірами. Використовують полікристалічний матеріал на основі алмаза або кубічного нітриду бору у вигляді циліндра діаметром близько 5,5 мм і висотою близько 4,5мм. Торцеві сторони циліндра шліфують і полірують, одержуючи циліндр висотою, що відповідає висоті сопла. Після цього в циліндрі за допомогою лазерного променя 4 вирізують канали. Для цього спочатку циліндр установлюють на стіл лазерної установки, нахилений під кутом 3°, і обертають стіл навколо осі, вирізуючи в циліндрі наскрізний отвір, кут конуса якого відповідає куту конуса вихідного каналу (фіг. 2). Після цього стіл нахиляють на кут 15° і формують вхідний канал (фіг.3). Одночасно відбувається формування конуса кінцевої ділянки. Завершальною операцією є вирізка сопла по зовнішній поверхні, що здійснюють знову при нахилі стола на 3° (фіг.4). Подібним чином у циліндрі вирізують декілька сопел. Отримане сопло може бути з'єднане з тримачем будь-якої конструкції. Як тримач може бути використана металева трубка 5 (фіг.5) з внутрішнім діаметром, рівним діаметру більшої основи сопла. На внутрішню поверхню кінця трубки наносять клей, вставляють сопло й обжимають трубку по зовнішній поверхні сопла. Робота сопла відбувається в такий спосіб. Як абразивні частки використовують частки, діаметр яких становить 1/4-1/5 діаметра d. Газ, наприклад вуглекислий газ, з абразивними частками подають у вхідний канал 1 сопла під тиском 0,6-1,2МПа. У вихідному каналі 2 частки розганяються до надзвукової швидкості й, зіштовхуючись із оброблюваним матеріалом, руйнують його, виконуючи в ньому заглиблення. Для підвищення ефективності руйнування оброблюваного матеріалу в трубці безпосередньо перед соплом може бути розташована скручена принаймні на чверть витка відносно осі трубки пластина 6 (фіг.5). її геометричні розміри й конфігурація визначаються залежно від характеристики струменя й заданим режимом роботи. Деяка частина абразивних часток, стикаючись із гвинтоподібною поверхнею пластини, здобуває обертовий рух і, проходячи через сопло, зберігає його, одержавши більшу швидкість. При контакті з оброблюваним матеріалом вони руйнують його й відходять від центра по дотичній, даючи приплив новим часткам. Разом з тим вони забезпечують обертання потоку абразивних частинок і частинок зруйнованого оброблюваного матеріалу, який виходить з заглиблення, що полегшує вивід його з заглиблення.