Способ обработки материалов энергетической струей
Изобретение относится к области струйной обработки материалов, осуществляемой в системе кругооборота текучей среды. Производят сжатие жидкой текучей среды при давлении 2,0 кбар и ее переохлаждение до температуры -20°С из условия сохранения текучей средой жидкой фазы. Заготовку размещают над ванной. Осуществляют подачу текучей среды из сопла на обрабатываемую заготовку, помещенную при давлении и температуре, обеспечивающими резкое изменение объема текучей среды и мгновенное ее замораживание в виде льда. Обеспечивают размораживание льда в ванне с образованием жидкой фазы текучей среды. Жидкую текучую среду фильтруют от продуктов обработки и затем направляют на вход системы кругооборота текучей среды. В результате повышается эффективность и надежность обработки, а также обеспечивается экологическая чистота обработки. 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к области струйной резки и обработки материалов, которые осуществляют высокоскоростной струей жидкости, включающей различные абразивные материалы.
Предшествующий уровень техники
Известен способ резки материалов высокотемпературной энергетической струей, образованной продуктами сгорания жидкого топлива, несущей абразивный порошок (патент США №4384434, Н. Кл. 51-410, 1983 г.).
Недостатки известного аналога заключаются в высоком расходе электрической энергии и конструктивной сложности установки, в частности, за счет охлаждения трубопроводов и корпуса резака, работающих при высокой температуре.
Известен принятый нами в качестве прототипа способ резки энергетической струей, несущей абразивный порошок, включающий смешивание абразивного порошка с энергоносителем, ускорение смеси в сверхзвуковом разгонном сопле с использованием в качестве энергоносителя перегретого водяного пара при температуре 400-550°С и концентрации абразивного порошка 1-5 мас.% (RU №2050251, М. кл.6: В24С 1/00, 1993 г.).
Прототип имеет следующие недостатки:
- в результате рассеивания потока абразива образуется относительно широкий рез, что приводит к значительному расходу энергии и интенсивному износу оборудования (особенно сопла, даже изготовленного из износостойких материалов: карбида вольфрама или борида);
- из-за высоких давлений и скоростей потока достаточно трудно сохранить когерентное течение струи;
- необходимость перемешивания абразивного материала в жидкой среде приводит к быстрому износу сопла, что сокращает срок его службы до часов и даже минут;
- использование абразивного материала приводит к загрязнению окружающей среды.
Сущность изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности и надежности за счет обеспечения обработки материала рабочей средой (твердым телом) в виде сплошного ледяного стержня, образованного в результате резкого изменения объема текучей среды (сжатой при давлении 2,0 кбар и охлажденной до температуры -20°С) и мгновенного ее замораживания, а также обеспечение экологической чистоты обработки.
Заявленный технический результат достигается с помощью способа обработки материалов энергетической струей в системе кругооборота текучей среды, включающим осуществление сжатие жидкой текучей среды и ее переохлаждение из условия сохранения жидкой фазы текучей среды и выталкивание текучей среды из сопла на обрабатываемую заготовку, помещенную при давлении и температуре, обеспечивающими резкое изменение объема текучей среды и мгновенное ее замораживание в виде льда, при этом согласно изобретению, сжатие жидкой текучей среды осуществляют при давлении 2,0 кбар, а ее переохлаждение производят до температуры -20°С, заготовку размещают над ванной, обеспечивают размораживание льда в ванне с образованием жидкой текучей среды, которую фильтруют от продуктов обработки и затем направляют на вход системы кругооборота текучей среды.
Устройство, с помощью которого осуществляется заявленный способ, содержит блок повышения давления жидкой среды, холодильную камеру для охлаждения жидкой среды до расчетной температуры, при которой среда еще остается в жидкой фазе, выходное сопло, на выходе из которого переохлажденная жидкая среда мгновенно превращается в твердую фазу, обеспечивающую эффективное резание и обработку материала, ловушку среды и трубопровод ее возврата в блок повышения давления жидкой среды.
Между холодильной камерой и выходным соплом установлен инжектор для образования суспензии абразива в жидкости.
На чертеже представлен вариант реализации предложенного устройство, где 1 - блок повышения давления жидкости; 2 - холодильная камера для охлаждения рабочей жидкости; 3 - выходное сопло; 4 - струя жидкости (льда); 5 - обрабатываемый материал, устанавливаемый над ловушкой 6, 7 - трубопровод возврата жидкости в устройство 1, 8 - инжектор, 9 - емкость с абразивом.
Между холодильной камерой 2 и выходным соплом 3, в целях усиления режущих свойств струи, может быть установлен инжектор 8, соединенный с емкостью 9 для хранения абразива.
Осуществление изобретения
Блок повышения давления жидкости 1 обеспечивает сжатие рабочей жидкости. В условиях сжатия, например, воды до значений 2,0 кбар переохлажденная блоком 2 до -20° вода остается в жидкой фазе, будучи готовой к мгновенному переходу к твердой фазе при достаточном для этого процесса понижении давления (см. И.Маэно. Наука о льде. М.: Мир. 1988, с.170, рис.6.1. Диаграмма состояний воды). Такое резкое понижение давления происходит в момент выхода струи жидкости 4 из сопла 3.
Таким образом, на выходе из сопла 3 переохлажденная сжатая вода мгновенно увеличивает свой объем, превращаясь в лед, который обеспечивает эффективное резание материала 5.
Из ловушки среды 6 вода после оттаивания льда и фильтрации продуктов обработки материала возвращается по трубопроводу 7 в блок повышения давления жидкости 1, совершая рабочий круговорот, как возобновляемый ресурс.
В случае использования инжектора 8 проходящая через него жидкость засасывает из специальной емкости 9 абразив, который, оказавшись в ледяной струе, еще более эффективно обрабатывает материал.
Промышленная применимость
Заявленное предложение соответствует передовым научно-техническим представлениям и реализуется известными технологиями с использованием современных материалов.
Технические результаты заявленного предложения заключаются в следующем:
- резание и обработка материалов обеспечивается возобновляемой рабочей средой - льдом, которую не надо специально готовить и менять после выработки ресурса, что обеспечивает экологическую чистоту и экономичность заявленного предложения;
- в связи с тем что, образование твердой фазы среды - льда происходит в момент увеличения объема жидкости после выхода из разгонного сопла, износ сопла минимален - в отличие от аналогов, в которых использование абразива приводит к быстрому износу сопла (в течении всего нескольких часов и даже минут);
- благодаря использованию твердой фазы жидкости, имеет место эффективная обработка материала.
Способ обработки материалов энергетической струей в системе кругооборота текучей среды, включающий осуществление сжатия жидкой текучей среды и ее переохлаждение из условия сохранения текучей средой жидкой фазы и выталкивание текучей среды из сопла на обрабатываемую заготовку, находящуюся при давлении и температуре, обеспечивающими резкое изменение объема текучей среды и мгновенное ее замораживание в виде льда, отличающийся тем, что сжатие жидкой текучей среды осуществляют при давлении 2,0 кбар, а ее переохлаждение производят до температуры -20°С, заготовку размещают над ванной, обеспечивают размораживание льда в ванне с образованием жидкой текучей среды, которую фильтруют от продуктов обработки и затем направляют на вход системы кругооборота текучей среды.
